当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

网络控制系统的时延补偿与控制器设计


华北电力大学硕士学位论文摘要





随着计算机技术的发展,控制系统与网络通信系统的集成成为控制网络技术研 究的热点,为此提出了网络控制系统( NCS)。本文介绍了网络控制系统的工业背 景和研究现状,重点介绍了网络时延问题的研究进展。分析了网络控制系统的时延 产生原因及特性,根据采样时间的不同和驱动方式的不同进行了

建模分析。根据不 同的模型分析了固定时延、随机时延的补偿控制器设计。本文重点介绍了针对不确 定时延采用 Fuzzy-PID 控制器的设计和仿真研究。在最后,介绍了一种 Matlab环境下 的实时控制系统仿真工具箱 Truetime,给出了具有时延特征的网络控制系统的控制 仿真结果。 关键词:网络控制系统,网络时延,时延补偿,Fuzzy-PID 控制器

ABSTRACT
With the development of computer technology, some considerable attentions have been directed to the integrated control systems and network communication control system. So Network Control System(NCS) is proposed. In this thesis ,the paper introduces the engineering background and research achievements, and focuses on the progress of network delay. The causes and the characteristic of network-induced delay are analyzed. According to the different of sampling time and drive way, model is built and analyzed. Depending on the different models, the controller with the compensation about the fixed time delay and random delay controller are designed. This paper focuses on using Fuzzy - PID controller against uncertainty delay to design and simulation testing. In conclusion, Simulink toolbox, named by Truetime,based on Matlab has been introduced in this paper. And the characteristics of the NCS simulation results are given. Liu Jian ( Control Theory and Control Engineering) Directed by prof. Ma Yongguang KEY WORDS : Networked control systems, Network-induced delay, Delay compensation, Fuzzy-PID controller
i

华北电力大学硕士学位论文目录


中文摘要 英文摘要 第一章 绪



论 ....................................................................................................... 1

1.1 网络控制系统的发展与基本概念 .................................................................. 1 1.1.1 计算机控制系统的发展 ........................................................................ 1 1.1.2 网络控制系统的描述 ............................................................................ 3 1.2 网络控制系统时延研究现状 .......................................................................... 4 1.2.1 NCS 的数学模型的建立 ......................................................................... 4 1.2.2 NCS 控制器设计方法 ............................................................................ 5 1.3 本文研究的出发点与主要工作 ...................................................................... 7 1.3.1 目的和意义 ........................................................................................... 7 1.3.2 研究内容 ............................................................................................... 8

第二章

具有网络诱导时延的 NCS 分析 ......................................................... 9

2.1 引言 ............................................................................................................... 9 2.2 网络控制系统的采样技术 ............................................................................ 10 2.2.1 同步采样和非同步采样 ...................................................................... 10 2.2.2 时间驱动方式和事件驱动方式 ........................................................... 11 2.2.3 多速率采样 ......................................................................................... 12 2.3 控制网络与网络控制系统的时延分析 ......................................................... 12 2.3.1 控制网络 ............................................................................................. 13 2.3.2 网络控制系统的时延分析 ................................................................... 16 2.4 小结 ............................................................................................................. 18

第三章

具有网络诱导时延的 NCS 建模与控制 ........................................... 19

3.1 引言 ............................................................................................................. 19 3.2 具有网络诱导时延的 NCS 的数学建模 ....................................................... 19 3.3 具有固定时延的 NCS 的控制器设计 ........................................................... 21 3.4 具有随机时延的 NCS 的控制器设计 ........................................................... 22 3.4.1 基于时延统计规律的随机控制器设计 ................................................ 23 3.4.2 基于时变、有界时延的随机时延的补偿 ............................................ 24 3.5 小结 .............................................................................................................. 26

第四章 Fuzzy-PID 网络控制器设计 ................................................................. 27
4.1 引言 .............................................................................................................. 27 4.2 模糊控制理论基础 ........................................................................................ 27 4.2.1 模糊控制系统的组成 ........................................................................... 27
1

华北电力大学硕士学位论文目录

4.2.2 模糊控制器原理 ................................................................................... 28 4.2.3 模糊控制器的输入输出变量 ................................................................ 30 4.2.4 模糊控制器设计的基本方法 ................................................................ 31 4.3 带 PID 的网络化控制系统 ............................................................................ 31 4.4 模糊补偿 PID 控制器设计 ............................................................................ 32 4.5 fuzzy-PID 复合控制器设计 ........................................................................... 33 4.6 小结 .............................................................................................................. 34

第五章 基于 matlab/simulink 的 NCS 仿真环境研究 ................................ 35
5.1 引言 .............................................................................................................. 35 5.2 Truetime 工具箱结构与功能 ........................................................................ 35 5.2.1 计算机模块 .......................................................................................... 36 5.2.2 网络模块 .............................................................................................. 36 5.3 初始化 ........................................................................................................... 37 5.4 网络控制系统仿真研究 ................................................................................ 38 5.5 仿真说明 ....................................................................................................... 39 5.5.1 PID 控制器设计仿真 ............................................................................ 40 5.5.2 Fuzzy-PID 控制系统设计仿真 ............................................................. 42 5.6 小结 .............................................................................................................. 44

第六章 总结与展望 ............................................................................................. 45
6.1 总结 ............................................................................................................. 45 6.2 研究展望 ...................................................................................................... 45

参考文献 ................................................................................................................ 46 致 谢 ................................................................................................................ 49 在学期间发表的学术论文和参加科研情况 .................................................... 50

2

华北电力大学硕士学位论文

第一章 绪
1.1 网络控制系统的发展与基本概念



随着控制、计算机、通信网络等技术的发展,信息交换的领域正在迅速覆盖从 工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次,覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至 世界各地的市场,因此迫切要求工业自动化水平也提高到了一个崭新的高度。从历 史上看,传统控制系统的通讯方式是点对点的,包括早期的 DCS ,目前这种方式已 经越来越不能适应某些新的需求,比如模块化、集散分布、综合诊断、快捷方便的 维护及低成本化等。从整体上看,计算机控制系统己呈现出向网络化、集成化、节 点智能化、分布化的发展趋势。现场总线控制系统和工业以太网,顺应了这一趋势, 是完全网络化、分布化的控制系统。

1.1.1 计算机控制系统的发展
计算机控制系统发展至今先后主要经历了以下几个阶段:传统的集中式控制系 统、集散控制系统( DCS ) 、现场总线控制系统( FCS ) 、以及基于以太网的控制系 统的广泛研究。 传统的集中式控制系统一般采用一个中央控制单元( CPU)完成控制计算、信 息处理等所有工作,控制器和对象之间的连接采用的是点对点的连接方式,其典型 结构如图 1-1。
计算机

传感器1

???

传感器N

执行器1

???

执行器N

被控对象
图 1-1 集中式控制系统示意图

随着现场采集信息量的增加,集中式控制对中央控制单元的硬件性能要求越来 越高,软件编程也越来越复杂。因此,产生了集散式控制系统( Distributed Control System, DCS)来代替集中式控制系统,如图 1-2 所示。

1

华北电力大学硕士学位论文

监控

计算机

计算机

传感器1

执行器1

???
被控对象

传感器N

执行器N

图 1-2 DCS 示意图

DCS ,又称分布或分散控制系统,它以微处理机为核心,实现地理上和功能上 的控制,同时通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来,进行集中的监视和 操作,并实现复杂的控制和优化。DCS 的设计原则是分散控制,集中操作,分级管 理,分而自治和综合协调。对各个现场设备的任务由现场级的控制单元( PLC ,单 片机等)完成,总体的控制任务和操作监视等其他任务由中央控制单元完成,从而 实现了控制功能和管理信息的分离。虽然提高了系统的可靠性和灵活性,但集散控 制系统和集中式控制系统都有一些共同的缺点,就是随着现场设备的增加,系统复 杂,成本大大提高,以及系统的抗干扰性、灵活性不够、扩展不方便等 [1] 。为了从 根 本 上解决这些问 题,新 型的分布式控 制系统 ——现场总线 控制系 统 ( Fieldbus Control Systems , FCS)应运而生,如图 1-3 所示。
计算机 计算机

传感器1

执行器1

???
被控对象

传感器N

执行器N

图 1-3 FCS 示意图

目 前 现 场 总 线 的 主 要 种 类 有 : 基 金 会 现 场 总 线 FF ; ProfiBus ; WorldFIP ; ControlNet/DeviveNet ; CAN。 与传统的 DCS 相比, FCS 具有如下一些技术特点 [2]: ( 1 ) FCS 是现场通信网络:把通信线路一直延伸到生产现场中的生产设备, 构成用于过程自动化和制造自动化的现场设备或仪表互联的现场通信网络。实现了
2

华北电力大学硕士学位论文

全数字化传输,极大地提高了信号转换的精度和可靠性,有效地避免了模拟信号在 传输过程中存在的信号衰减、精度下降和信号干扰等问题。 ( 2 ) FCS 能进行现场设备互连:传感器、变送器、执行器的等设备在现场总 线系统中已成为由微处理机为控制核心的智能设备,可以通过一对双绞线、同轴电 缆、光纤、或电源线互连,具有较强的抗干扰能力。 ( 3) FCS 具有良好的互操作性:实现“即插即用” ,并且用户可以对不同品牌 的现场设备进行统一组态,构成所需要的控制回路。 ( 4 ) FCS 具有分散的功能块,便于用户组态:将功能块分散到多台现场仪表 中并进行统一组态,有助于用户根据需要灵活的选用各功能块,构成需要的控制回 路,实现彻底的分散控制。 ( 5 ) FCS 具有开放式互联网络,可以与同类型的网络互联:既可以与同层网 络互联又可以与不同层网络互联,既可以实现企业内部的网络互联又可以与企业外 部的网络互联。 ( 6) FCS 对现场环境的适应性强。 由上可见,控制系统随着计算机的应用发展,现场设备的智能化、数字化发展, 也在不断的提高自身对现场的适应力和可靠性, 使得控制系统更加网络化、 集成化、 分布化。

1.1.2 网络控制系统的描述
随着控制系统规模的日益扩大,越来越多的控制系统采用分布式控制的方式。 分布式控制的形式多种多样,很多复杂的控制系统例如制造业设备、运输工具、机 器人等采用串行通讯网络作为监控计算机、控制器、现场传感器及执行器间信息和 控制信号的交换通道,这种通过串行通信网络实现闭环控制回路的控制系统被称为 网络控制系统 (Networked Control Systems , NCS),有的文献用综合通讯和控制系统 (Integrated Communication and ControlSystems , ICCS) 或 者 基 于 网 络 的 控 制 系 统 (Network-based Control Systems) 来称呼具有这种结构的控制系统 [3]。 “ Network Control Systems ”最早于 1998 年出现在马里兰大学 G.C.Walsh 的论 著中,但未给出明确的定义。只是用图示说明了网络控制系统的结构,指出在该系 统中控制器与传感器通过串行通信形成闭环。而同济大学的于之训等用了“网络控 制系统” ;重庆大学的张结斌等用了“分布式控制网络系统”这样的术语。 清华大学的顾洪军给出了明确的定义 [4]:网络控制系统( NCS,Network Control Systems) ,又称网络化的控制系统,即在网络环境下实现的控制系统。是指在各区 域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线路的集合,用以提供设备之间的数据 传输,使该区域内不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。其本质是信息 (参考输入、对象输出和控制输入等)在控制系统各部件间(传感器、控制器和执
3

华北电力大学硕士学位论文

行器等)通过网络进行交换。 NCS 典型的系统结构图如图 1-4 所示。
控制器 控制器 通信网络

传感器

执行器

?

传感器

执行器

被控对象

被控对象
图 1-4 NCS 示意图

其他过程

NCS 中的网络是一个广义的范畴,包含了 FCS、工业以太网、无线通信网络、 甚至 Internet,这也是与网络技术的发展相适应的。视其回路中所嵌入的网络结构的 不同可以将其分为广义网络控制系统和狭义网络控制系统。 一般认为通过 FCS 和工 业以太网组成的网络控制系统是狭义的网络控制系统,而由通过计算机网络比如计 算机广域网、Internet 等网络组成的控制系统则被视为广义的网络控制系统。本文主 要针对狭义的网络控制系统进行研究和分析。

1.2 网络控制系统时延研究现状
工业控制网络不同于一般的计算机通信网络,它传递信息是以引起物质或能量 的运动为最终目的,分析的对象不再是孤立的控制过程,而是整个网络控制系统的 稳定性、调度管理和鲁棒性问题等。其通信网络特别强调实时性、可靠性、稳定性
[5]

。实时性向来是控制系统面临的重要问题,由于连接到通讯介质上的每个设备都

是一个信息源,而通讯介质是分时复用的,待发送信息只有等到网络空闲时才能被 发送出去,这就不可避免地导致了传输延迟的发生。而闭环控制系统是通过网络形 成闭环的,相应地就把延迟环节引入到这些系统。不但会降低系统的控制性能,而 且还是引起系统不稳定的一个潜在因素 [6]。因此,在研究 NCS 存在的许多新问题时, 如:网络诱导的时延、网络调度、数据包的多包传输及丢失等,主要还是集中在对 NCS 的时延补偿这个热点问题上。

1.2.1 NCS 的数学模型的建立
目前,NCS的建模是 NCS分析、仿真和设计的基础,因此 NCS的建模问题在 NCS 的研究中具有重要意义.虽然 NCS的概念早已被提出并取得了一系列成果,但其建 模问题依然没有很好地解决。以下为几种有条件的模型建立: 针对 NCS的建模问题, Halevi和 Ray考虑了传感器 -控制器和控制器 -执行器单时 延的情况,而且在传感器和控制器的采样时刻之间只有一个时间差。他们用增广状
4

华北电力大学硕士学位论文

态把过去的延迟信号也包括进来,导出一个闭环模型 [7][8]。 Lian FengLi 推导出一个离散的多输入多输出 NCS模型,在该模型中,有分布式 通信延迟。此外,为了得到传感器和控制器之间真实的时间延迟,还表征了分布式 传感器的异步采样机制。但是,在该模型中,所有的延迟都是定界在一个采样周期 之内的,而且并没有考虑数据丢失的情况 [9]。 朱其新、胡寿松在考虑系统噪声、控制器的动态特性及输出反馈的情况下建立 了多包传输、单保传输有数据包丢失、多包传输有数据包丢失时 NCS的离散随机模 型的统一建模方法 [10]。 樊卫华等讨论了同时存在传输延时和数据包丢失的 NCS建模问题,并借助 ADS 的一些结论,讨论了 NCS的稳定性,给出具有典型双线形矩阵不等式的结论,但是 他们既没有考虑控制器 -执行器之间的延迟, 也没有考虑不同的节点的分布式异步多 时延情况 [11]。 以往的建模方法都有一个共同的局限性,即基本上都针对网络时延不超过一个 采样周期的情况来研究的。近年来人们开始逐步涉及时延大于一个采样周期时 NCS 的建模并取得一定的成果。从目前研究情况看,网络控制系统的建模逐渐从单变量 到多变量,从确定性到不确定性发展,但是这只是一个开端。

1.2.2 NCS 控制器设计方法
现阶段根据以上不同的模型,分析和设计网络控制器逐渐由单变量到多变量、 由确定到随机、由经典控制理论到智能控制理论和高级控制算法发展。目前所采用 的网络控制系统的控制器设计方法主要有:确定性控制设计方法、随机控制设计方 法、智能控制方法、鲁棒控制设计方法。
1.2.2.1确定性控制设计方法

应用确定性设计方法应首先将随机时变延迟通过在控制器和执行器之间设置 缓冲区转化为固定延迟,然后针对转化后的固定延迟设计控制器。 Rogelio针对模型 (时间驱动 )提出了基于观测器的分布延迟补偿器 [12]。在该补偿 器算法中,首先在控制器和执行器接收端设置接收缓冲区,将时变的传输延迟转化 为固定的传输延迟。其优点是可用已有的确定性系统设计和分析方法对闭环网络控 制系统进行设计和分析,不受延迟特性变化的影响;其缺点是将所有延迟都转化为 最大延迟,人为地将传输延迟扩大化,因此降低了系统应有的控制性能。对于具有 随机传输延迟的闭环控制系统,若按最大传输延迟来设计控制器,则所得闭环控制 系统不一定稳定。 熊远生,俞立,徐建明将时间延迟的不确定性通过引入一个信息接收缓冲区来 实现时间延迟的确定化的基础上,将滑模变结构控制和预估控制的方法引入控制器 的设计中,得出的结果的时间延迟可以大于一个采样周期 [13][14]。
5

华北电力大学硕士学位论文 1.2.2.2随机控制设计方法

应用随机控制的方法关键在于对网络延时的合理建模和估计,可假设时延符合 某种统计规律并且是相互独立的,从概率分布的角度将网络延时作为系统中的随机 变量或随机过程,设计随机最优控制律。 Ray对随机时变分布延迟下的输出反馈时延网络系统进行研究,基于最小方差 滤波器和动态规划原理,得到了具有随机延迟补偿的 LQR 控制器 (DCLQR),但不满 足确定性等价原理 [15]。 于之训对控制器是事件驱动的,在第 k步传感器到控制器之间延迟未知的情况 下,基于动态规划和最优控制理论,得出了使系统均方指数稳定的控制律 [16]。针对 控制网络中的随机传输延迟,提出控制器节点采用事件驱动的方式,同时在传感器 和控制器节点发送端设置发送缓冲区,以确保信息按产生的时间先后依次到达接收 端,采用这种控制模式,利用传输延迟的 Markov特性,得到了具有多步随机传输延 迟的网络控制系统的数学模型。并得到了满足给定二次型性能指标的最优控制律的 解析表达式,成功地解决了原来事件驱动模式下对这类网络控制系统无法获取其解 析随机控制律的难题 [17]。 Nillson假设时延的概率分布已知,不超过一个采样周期,传感器采用事件驱动, 控制器和执行器采用事件驱动。并利用 Markov链对时延的概率分布进行了建模,给 出了闭环网络系统的 LQG随机最优控制律,该控制律满足确定性等价原理 [18]。 Wei Zhen针对网络时延分布未知的情况,改进了 Nilsson的 LQG 控制律,提出时 延在线估计方法——平均时延窗口 (ADW,Average Delays Window) 方法。该方法无 需网络时钟同步和延时补偿,即可获得延时信息。并在 10kbit/s的 CAN总线上进行了 实验研究 [19]。 Wei Zhang针对网络控制系统中普遍存在的通讯延迟问题, 对于控制器是时间驱 动的,利用在控制器和执行器接收端设置接收缓冲区的方法,提出了一种延迟补偿 器结构,该结构可同时实现对噪声的滤波处理 [20]。 Lian FengLi 针对 MIMO 网络控制系统进行了时延分析和建模,并设计了最优控 制器 [8]。
1.2.2.3智能控制设计方法

确定性控制方法和随机性控制方法都是基于时延和被控对象的精确数学模型 之上的,而在实际的 NCS中往往存在着诸多的不确定性,而智能控制对解决变化的 问题和情况具有较好的适应能力,因此目前多采用智能控制策略来解决时延不确定 和时延补偿问题,以提高系统的鲁棒性。 Kyung Chang 针对基于 Profibus— DP的网络控制系统,在考虑传输迟延的基础 上,设计了基于遗传算法 (Genetic Algorithm) 对 PID参数进行整定的控制器,并对马 达的控制进行了实验研究 [21]。
6

华北电力大学硕士学位论文

Suk Lee 利用模糊 (Fuzzy) 控制鲁棒性较好的特性,设计了基于模糊逻辑的控制 器,并与传统的 PID 控制器和时延补偿 PID控制器进行了比较,说明了模糊控制的效 果优于传统控制方法 [22]。 Almutairi研究了基于 IP网络的控制系统,利用对网络延时的补偿来提高系统的 性能。首先利用 Fuzzy理论设计了模糊补偿器,直接对 PI控制器的参数进行整定,并 给出了离线和在线的整定算法。进一步又考虑对模糊规则参数的自适应调整,并对 马达进行了仿真实验 [23]。 任长清对基于互联网的液压远程控制进行了研究,为了解决不确定性变化的网 络延时对系统性能的影响,在系统中设计了补偿器结构解决网络延时问题,同时采 用延时预测算法解决网络延时不确定性变化的问题,以改善系统的动态性能和保持 系统的稳定性 [24]。 王晓峰研究了基于 TCP/IP 网络的远程伺服控制系统,提出的动态模糊控制器可 按网络中不断变化的传输延时,根据最佳参数库不断调整其控制参数,使系统保持 稳定并使输出达到一定的性能指标要求 [25]。 近两年在已有成果上学者们继续研究应用遗传算法 [26]、模糊控制 [27]、预测控制
[28]

对网络控制系统时延控制设计。 鲁棒控制理论是针对实际工程中模型不确定性发展起来的,因此对于此类问题

1.2.2.4鲁棒控制设计方法

可以直接应用鲁棒控制器的设计方法来解决。采用该方法的关键是要将时延环节转 化为系统的一个不确定块,同时可以考虑被控对象本身的不确定性,然后针对转化 后的系统设计鲁棒控制器 [29]。这样设计出的控制器能同时保证 NCS的鲁棒稳定性和 鲁棒性能指标,该性能指标是确定性的性能指标,而不是概率意义上的性能指标。 由于 NCS实际为采样控制系统,所以其等价模型为离散形式的,要使用采样系统鲁 棒控制器的设计理论。当然,在系统的采样时间远小于系统的时间常数的情况下, 可以近似地将整个采样系统看作是一个准连续系统,这样做得出的结果可能比较保 守。

1.3 本文研究的出发点与主要工作
1.3.1 目的和意义
目前, NCS 中控制理论的研究大大落后于网络控制系统实际应用。网络控制系 统的出现发展推广应用给控制理论提出了严峻的挑战,针对控制理论的研究首次表 现出滞后于控制系统应用的现状,网络控制理论的研究刻不容缓。

7

华北电力大学硕士学位论文

1.3.2 研究内容
本文主要围绕网络性能的研究、网络引起时延的补偿、网络控制系统的仿真和 实验,进行了以下几方面的研究工作。 ( 1)在介绍网络控制系统的产生背景、概念的基础上,着重介绍网络控制系 统存在的几个主要问题及近年来的研究进展。 ( 2)研究了网络控制系统中,不同的驱动方式对网络控制系统性能产生的影 响。在网络时延分析的基础上,对事件驱动和时间驱动这两类网络控制系统的性能 进行了理论和仿真分析。 ( 3)提出了一种基于模糊控制的时延补偿策略。 ( 4)介绍 truetime工具箱,并利用其进行仿真实验。

8

华北电力大学硕士学位论文

第二章
2.1 引言

具有网络诱导时延的 NCS 分析

网络控制系统是指在通信网络环境下,各种现场设备,如传感器、控制器、变 送器以及执行机构等连接在一起,互相联系、互相作用,共同构成一个统一的整体, 协同完成控制功能。由于网络控制系统中传感器、控制器、执行器都通过共同的通 信介质相连,各设备间可以实现点对点的信息传递,但是,通信网络是分时复用的, 在同一时刻,只能有一个设备能够发送信息。待发送信息只有等到网络空闲时才能 发送出去。 现实中控制网络的带宽和承载能力有限, 同时网络控制系统中设备较多, 通过通信网络传送的信息量很大,因此,信息的冲撞、重发现象经常发生,使信息 在传输过程中不可避免地存在时延。从闭环控制的角度看,网络控制系统中的控制 器、执行器、被控对象、传感器是通过通信网络实现闭环的,因此网络控制系统的 结构图可以表示为图 2-1。
输入r
?

?

控制器 节点

网络 延迟 ? ca 通信网络 网络 延迟? sc

执行器 节点

被控 对象

输出y

传感器 节点

图 2-1 闭环网络控制系统结构图

图中, ? sc 表示传感器到控制器的网络时延。 ? ca 表示控制器到执行器的网络时延, 网络控制系统中,被控对象一般都是现实中的物理对象,它的输入和输出都是模拟 量,可以用连续时间状态方程或传递函数来描述,而控制器算法一般由计算机程序 来实现,可以用离散时间状态方程或脉冲传递函数来描述。考虑到传感器节点将被 控对象的模拟量输出转换成数字量,而执行器节点却将通信网络传输来的控制器数 字量控制信号转换成模拟信号,网络控制系统的结构图可表示为图 2-2。

r

?

控制器
?

e?? ca s

执行器

控制对象

y

e?? ca s

传感器

图 2-2 网络控制系统结构图

从图 2-2可以看出, 网络控制系统是一个计算机采样控制系统 [30], 由于前向通道
9

华北电力大学硕士学位论文

和反馈通道中都有和网络延迟有关的纯滞后环节,因此控制系统的建模、分析和设 计都是非常困难的。

2.2 网络控制系统的采样技术
网络控制系统本质是一个具有纯滞后环节的计算机采样控制系统,因此,计算 机采样控制系统中的采样技术都可用于网络控制系统中。

2.2.1 同步采样和非同步采样
2.2.1.1 同步采样(Synchronous Sampling Mechanisms)

同步采样就是网络控制系统中的所有采样开关都等周期同时开闭。 图 2-3是网络 控制系统中传感器节点、控制器节点、执行器节点都采用同步采样工作方式的采样 开关动作时序图。
k ?3
k ?2

k ?1

k

k ?1

k ?2

传感器节点 控制器节点

执行器节点
图 2-3 同步采样工作方式下采样开关动作时序图 2.2.1.2 非同步采样(Asynchronous Sampling Mechanisms)

非同步采样就是网络控制系统中所有采样开关等周期但不同时闭合。 图 2-4是网 络控制系统中 r个传感器节点采用非同步采样工作方式, 而控制器节点和执行器节点 采用同步采样工作方式的采样开关动作时序图。

r个传感器节点

S1 S 2

Sr

S1 S 2

Sr

控制器节点

k ?1

k

k ?1

执行器节点

k ?1

k

k ?1

图 2-4 r 个传感器节点采用非同步采样的采样开关动作时序图
10

华北电力大学硕士学位论文

2.2.2 时间驱动方式和事件驱动方式
下面以控制器节点为例说明时间驱动工作方式和事件驱动工作方式。
2.2.2.1 时间驱动方式

时间驱动 (Time-driven)工作方式,是指控制器节点在采样时钟的作用下定时采 样传感器测量信号,根据相应的控制器算法计算控制量,然后通过控制网络将控制 量传送给相应的执行器。 图 2-5是时间驱动方式下网络控制系统中信息传输时序图。

传感器节点

控制器节点

执行器节点
k ?3
k ?2

k ?1

k

k ?1

k ?2

图 2-5 控制器节点在时间驱动方式下 NCS 中信息传输时序图

(Vacant Sampling) 。由于传感器节点到控制器节点的网络时延 ? sc 是时变的,控制器 有可能使用前一个或者前几个采样周期的传感器测量数据。控制器工作在时间驱动 方式下,只在固定的时间间隔上执行控制程序,计算控制量,因此当一个采样周期 内有两个或者多个传感器测量数据到达控制器节点时,只有最近采样的传感器数据 被控制器接受,用于计算控制量,这种现象称为信息丢弃。图 2-5 中,控制器在第 k+2 采样周期发生信息丢弃,控制器采用第 k+1周期传感器的测量数据计算控制量,而 第 k周期的传感器数据却被丢弃。 另一方面,当控制器节点在一个采样周期内没有得到新的传感器数据,只能使 用过去的传感器数据计算控制量,这种现象称为空采样。图 2-5中,控制器节点在第 k采样周期发生空采样,仍然利用第 k+2周期传感器数据计算控制量,也就是说,第 k采样周期控制器计算出来的控制量与第 k+1周期相同。
2.2.2.2 事件驱动方式

时间驱动方式下,控制器节点会出现信息丢弃 (Message Rejection) 和空采样

事件驱动 (Event-driven) 方式是指传感器的测量信号经控制网络到达控制器,控 制器立即根据此最新的数据计算控制量,然后传送给执行器。也就是说“传感器测 量值到达”这一事件触发控制器执行相应的控制程序计算相应的控制量,事件驱动 方式由此得名。图 2-6是事件驱动方式下网络控制系统中信息传输时序图。

11

华北电力大学硕士学位论文

传感器节点

控制器节点

执行器节点
k ?3

t1

k ?2

t2 k ?1

t3

k

t4

k ?1

t5

k ?2

图 2-6 控制器节点在事件驱动方式下 NCS 中信息传输时序图

由图 2-6可以看出 t1 ,t 2 ,t3 ,t 4 ,t5 ??是控制器启动控制程序计算控制量时刻。

2.2.3 多速率采样
多速率采样就是网络控制系统中传感器节点、控制器节点和执行器节点以不同 周期采样输入信号。图 2-7表示了网络控制系统中的多速率采样。 由图 2-7可以看出,传感器节点和控制器节点采用时间驱动工作方式,而执行器 节点采用事件驱动工作方式,并且传感器节点的采样周期 Ts 与控制器节点的采样周 期 Tc 之间满足 Tc ? 3Ts 。控制器在第 k+1采样周期采用传感器在 S2 周期采样的数据计 算控制量而将 S1 周期传感器数据丢弃。
S3k ?1
S1k S 2k S3k

传感器节点

S1k ?1

S2k ?1

S3k ?1

S1k ? 2

控制器节点

k

k ?1

k ?2

执行器节点
u (t )
uk

uk ?1

被控对象输入
图 2-7 网络控制系统中的多速率采样

uk ?1
t

2.3 控制网络与网络控制系统的时延分析
控制网络不同于一般的计算机网络,由于它本身的结构特点与工业生产对其要 求的不同,决定了时延产生的机理不同。因此,还需研究控制网络的特点。
12

华北电力大学硕士学位论文

2.3.1 控制网络
控制网络技术源于计算机网络技术,与一般的信息网络有很多共同点,但又有 不同之处和独特的地方。由于工业控制系统特别强调可靠性和实时性,所以,应用 于测量与控制的数据通信不同于一般电信网的通信,也不同于信息技术中一般计算 机网络的通信。 控制网络与信息网络的具体不同如下 [31]: ( 1)控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制系统最基本的 要求。一般来说,过程控制系统的响应时间要求为 0.01~0.5s ,制造自动化系统的响 应时间要求为 0.5~2.0s ,信息网络的响应时间要求为 2.0~6.0s 。在信息网络的大部分 使用中实时性是可以忽略的。 ( 2)控制网络强调在恶劣环境下数据传输的完整性、可靠性。控制网络应具 有在高温、潮湿、振动、腐蚀,特别是电磁干扰等工业环境中长时间、连续、可靠、 完整的传送数据的能力,并能抗工业电网的浪涌、跌落和剑锋干扰。在可燃和易爆 场合,控制网络还应具有本质安全性能。 ( 3)在企业自动化系统中,由于分散的单一用户可借助控制网络进入某个系 统,通信方式多使用广播或组播方式;在信息网络中某个自助系统与另一个自助系 统一般都建立一对一通信方式。 ( 4)控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中相互兼容,即互操 作性问题。 工业控制网络是工业企业综合自动化系统的基础,现代制造系统的典型网络结 构可分为三个层次,即信息管理层、过程监控层和现场设备层 [32],如图 2-8所示。

企业网 工业局域网 工业控制系统网络

信息管理层 过程监控层 现场设备层

图 2-8 现代制造系统的典型网络结构

( 1)信息管理层网络:主要用于企业的计划、销售、生产、库存以及企业经 营等方面信息的传输,在信息管理层上传输的信息一般都是非实时性的,并且数据 包较大,信息传输频率较低。数据通信的发起是随机的、无规则的,数据吞吐量较 大,因此要求网络必须具有较大的带宽在。信息管理层网络主要由以太网组成。
13

华北电力大学硕士学位论文

( 2)过程监控层网络:主要用于将采集到的现场信息置入实时数据库,进行 先进控制和优化计算,以及传输更新现场设备的工作配置信息或命令。过程监控层 网络上传输的信息具有周期性、实时性特点。过程监控层网络上传输的实时信息出 现较大延时或丢失时就会导致多个设备不能协调工作。一般由令牌网和以太网组 成。 ( 3)现场设备层网络:主要用于控制系统中大量现场设备之间的测量与控制 信息以及其它一些信息 (例如状态信息、故障信息等 )的传输。传感器、控制器和执 行器通过现场设备层网络相连。传输的信息具有周期性和实时性,数据的长度较小 但传输的频率较高。对网络传输的吞吐量要求不高,但通信响应的实时性和确定性 要求较高。现场设备层网络上传输的信息如果出现延时或丢失现象就会降低控制系 统的性能甚至使控制系统不稳定。现场设备层网络一般由现场总线例如 CAN总线组 成。 这三层网络可以通过网关或网桥相连,由于在它们上面传输的信息具有不同的 特征,因此这三层网络应该独立组成。 在总线或环形拓扑中,网上设备共享传输线路。为了解决同一时间有几个设备 争用传输介质的问题,需要某种介质访问控制方式,以便协调各设备访问介质的顺 序,在设备之间交换数据。媒体访问控制层 (Medium Access Control-MAC)负责对媒 体的访问以及通信的可靠性和通信质量,因此对信息的传输时间有很大的影响。由 此可见, 网络控制系统中的时延受到网络所采用的通信协议、 网络当时的负载情况、 网络的传输速率和数据包的大小等因素的影响。下面从媒体访问控制方式的角度比 较以太网、控制网和 CAN总线三种控制网络。
2.3.1.1 以太网(Ethernet)

以太网 [33]采用载波监听多路访问 /冲突检测 (Carrier Sense Multiple Accesswith Collision Detection-CSMA/CD)的介质访问控制方式。其基本工作原理是:当某节点 要发送报文时,首先监听网络,如果网络忙,则等到其空闲时为止,否则将立即发 送;如果两个或更多个节点监听到网络空闲并同时发送报文时,它们发送的报文将 发生冲突,因此每个节点在发送时,还必须监听网络。当检测到两个或多个报文发 生碰撞时,节点立即停止发送,并等待一段随机长度的时间后重新发送。该随机时 i 间由标准二进制指数补偿算法确定。 重发的时间在 0 ~ (2 ? 1)之间的时间片中随机选 择(此处 i 代表被节点检测到的第 i 次碰撞事件),一个时间片尾重发循环所需的最 小时间。但是,在 10次碰撞发生后,该间距将被冻结在最大时间片(即 1023)上, 16次碰撞后,控制器将停止发送并向节点微处理器报告失败信息。 有 3种 CSMA坚持退避算法: ( 1)不坚持 CSMA:假如介质是空闲的,则发送;假如介质是忙的,则等待一 段随机时间,重复第一步。
14

华北电力大学硕士学位论文

( 2)为 1坚持 CSMA:即如介质是空闲的,则发送;假如介质是忙的,则继续 侦听,直到介质空闲,立即发送;假如冲突发生,则等待一段随机时间,重复第一 步。 ( 3)为 P坚持 CSMA:假如介质空闲,则以 P的概率发送,或以 1-P的概率随机 延迟一个时间单位后再听,这个时间单位等于最大的传播延迟;假如介质是忙的, 则继续监听知道介质空闲,重复第一步。 可见, CSMA/CD是一种随机性通信协议,通信延时是随机的,并且可能无界。 但是,在网络负载较低时,几乎没有网络传输延时。 网络负荷较高时,以太网上存在的这种碰撞成了主要问题,因为它极大的影响 了以太网的数据吞吐量和传输延时,并导致以太网实际性能的下降。由于一系列碰 撞后,报文可能丢失,因此,节点与节点之间的通信将无法得到保障。就是说,以 太网的这种 CSMA/CD介质访问机制导致了网络传输延时和通信响应的“不确定性”
[34]

。 控制网 [35]采用令牌传递总线 (Token-passing Bus)的介质访问控制方式。此方式

2.3.1.2 控制网(controlnet)

采用总线网络拓扑结构,网络上的节点按一定的顺序形成一个逻辑环,每个节点在 环中均有一个指定的逻辑位置,末站的后站就是首站,即首尾相连。总线上各站的 物理位置跟逻辑位置无关。令牌总线采用称为令牌的控制帧来调整对总线的访问控 制权。收到令牌的节点在一段规定的时间内被授予对介质的控制权,因而该节点可 以发送一帧或者多帧信息。当该节点的传输已经完成或者规定的时间已经用完时, 它将令牌传递给逻辑环中的下一个节点。由于只有收到令牌的节点才能将信息帧发 送到总线上,因此令牌传递总线访问方式不可能产生碰撞。假如取得令牌的节点有 报文要发送,则发送报文,随后将令牌送至下一个节点;否则,若取得令牌的节点 没有报文要发送,则立即将令牌送到下一个节点。由于节点接收到令牌的过程是顺 序依次进行的,因此对所有节点都有公平的访问权。最坏的情况下,一个节点等待 取得令牌和发送报文的时间等于全部节点令牌传送时间和报文发送时间的总和。如 果只有一个站点有报文要发送,则等待时间只是全部令牌传递时间的总和,而平均 等待时间是它的一半,实际等待时间应在这个区间范围内。 令牌传递总线访问方式是一种确定性协议,可以估算出最大的通信延时,网上 每一个节点都知道信息的来去方向,保证了较高的信息传输的确定性,并且对网络 负载的轻重不敏感。但是在负载较轻时,有很多时间浪费在令牌的传递上。
2.3.1.3 CAN 总线(CAN BUS)

CAN(Controller Area Network) [36]即控制器局域网络,最初是为汽车监测、控制 系统而设计的, 现在已经在过程工业、 机械工业、 机器人等工业领域广泛应用。 CAN 总线采用载波监听多路访问 /避免碰撞 (Carrier Sense Multiple Access/Collision
15

华北电力大学硕士学位论文

Avoidance-CSMA/CA)的介质访问控制方式,又称为非破坏仲裁的 CSMA/CD (CSMA/CD with Non-destructive Arbitration-CSMA/NDA)。实质上 CAN总线采用 CSMA/CD协议并引用非破坏性仲裁机制解决媒体共享问题。 CAN 总线上的节点没 有地址, 而节点信息分成不同的优先级, 优先级的编码被放置在报文的标志字段中。 网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息,而不分主从。 要传送信息的节点首先监听总线,如果总线空闲,该节点就开始发送信息。如果同 时有两个或者多个节点发送信息,就会发生碰撞。它是采用非破坏性优先权逐位仲 裁规则,优先级较低的节点会主动地退出发送,而最高优先级的节点可以不受影响 地继续传输信息。这样大大节省了总线冲突的仲裁时间,尤其是在网络负载很重地 情况下也不会出现网络瘫痪情况。CAN总线上的每个信息都有唯一的标识符,信息 帧的发送是以发送标识符的高位开始的,当两个节点在同一时刻向总线上发送信息 时,它们首先将信息帧从标识符高位开始逐位向总线上发送,然后监听网络,如果 其中的一个节点监听到位数据和它发送出去的位数据不相同,它就不再往网络上发 送信息。另一个节点赢得仲裁,继续发送信息。网络上其它的节点是否接收此信息 完全取决于其对标识符滤波的设置情况。 CAN总线是面向信息的协议,采用短帧结构,传输时间短,受干扰概率低,具 有错误检测和处理功能,保证了信息传输出错率极低。网络上的节点信息分成不同 的优先级, 可以满足不同的实时要求, 高优先级的信息最大通信延时是可以估算的。 这些特点使其适合于工业实时应用场合。 可以通过表 2-1对三种控制网络作简单的比较概括: 网络类型 Ethernet CAN Bus 访问方式 网络协议 数据包大小 时延类型 随机 CSMA/CD 72-1500 随机、无界 随机 CSMA/CA 最大为 8 随机、有界 Control Net 令牌传递 TP 7-504 确定、周期有界

表 2-1 几种典型网络的延时特性

2.3.2 网络控制系统的时延分析
上一小节对以太网、控制网和 CAN总线三种工业控制网络进行了详细的分析, 指出它们的特点以及网络传输延时的特性,本小节将讨论网络控制系统中的时延的 组成,并讨论影响时延的一些因素。 从图 2-1可知,网络控制系统中存在着两种网络时延,它们是传感器到控制器的 网络延迟 ? sc 和控制器到执行器的网络延迟 ? ca 。另外,控制器中控制程序根据网络上 传送来的传感器测量数据进行计算,得到控制量,这一过程所花费的时间称为控制 器的处理时间。同样地,传感器采样实时信号以及执行器对控制信息的响应都需要
16

华北电力大学硕士学位论文

时间,分别称之为传感器处理时间和执行器的处理时间。因此网络控制系统中,时 延可以分为网络时延和节点处理时延两类。下面将从这两方面详细分析时延的组 成。 网络控制系统中,源节点得到某一信息并将之通过控制网络传送到目标节点进 行处理所经历的所有时间可以分为产生时延 Tg 、排队时延 Tq 、传输时延 Tt 和传递时 延 Td 。图 2-9是网络通讯模型 [37]。 产生时延 Tg 就是源节点根据系统的任务要求得到某一格式的信息所用的时间。 例如传感器节点采样物理信号,将之转换成数字信号,并且按总线数据链路层协议 进行编码所需的时间就是传感器节点的产生时延 Tg 。产生时延和源节点的任务数、 任务的优先级及其处理时间有关。一般情况下,认为任务的处理时间是个常数或者 忽略不计,这要视具体任务而定。

源节点 用户程序 数据链路 物理层
Tt
图 2-9 CAN 总线的通讯模型

目标节点
Tg Tq

用户程序
Td

数据链路 物理层

排队时延 Tq 就是信息在源节点队列里等待直到其得到总线的使用权所需的时 间。排队时延和源节点要传送的信息数、网络负载、网络协议与调度方法有关。其 中网络协议是影响排队时延的主要因素,因此在网络控制系统中,应选择合适的通 讯网络,使排队时延不致太大而影响系统性能。 传输时延 Tt 是网络传输信息所用的时间。它和控制网络的数据帧大小、节点距 离、媒体电气特性以及网速有关。 传递时延 Td 就是目标节点接收到源节点送来的信息到目标节点处理此信息所 需的时间,例如控制器节点缓冲区接收到传感器节点送来的测量数据到控制器节点 处理此数据所需的时间就是传递时延。它是将节点收到的信息传递给下一个任务所 必需的等待时间。传递时延和网络控制系统的采样技术和缓冲区的大小等因素有 关。 因此,所有有系统的总时延为 ? ? Tg ? Tq ? Tt ? Td 。 从上述分析可以看出,网络控制系统中的时延与网络协议、网络负载、信息优
17

华北电力大学硕士学位论文

先级、信息长度、网络速率、节点间距离、采样技术和信息调度算法等诸多因素有 关。在实际应用中,应综合考虑各种因素,使时延符合系统要求。

2.4 小结
由于网络控制系统是在计算机网络基础上发展起来的控制系统,而计算机对信 号的采样技术将直接影响后面对网络控制系统时延的建模和补偿问题,因此,首先 介绍了三种不同的采样方式和驱动方式。介于网络控制系统是一种控制网络,它不 同于一般的通信网络,从两者的区别出发,分析了三种典型的控制网络,并从媒体 访问控制方式的不同,分析了其时延产生的原因和所产生的时延所具有的特性。 通过比较以太网、控制网和 CAN总线可以看出,每一种控制网络媒体访问控制 层 (MAC)采用的协议都对网络延时具有很大的影响, 使网络延时呈现出或确定 (CAN 总线和控制网 )或随机 (以太网 ),或有界 (CAN 总线和控制网 )或无界 (以太网 )的特征。

18

华北电力大学硕士学位论文

第三章
3.1 引言

具有网络诱导时延的 NCS 建模与控制

上一章分析和研究了网络控制系统时延产生的原因及特性,本章将利用模型建 立来研究网络时延的补偿问题。

3.2 具有网络诱导时延的 NCS 的数学建模
具有网络诱导时延的 NCS结构框图如图 3-1所示,被控对象为连续时间对象,而 控制器为离散控制器,控制器输出通过执行器施加到被控对象上。

参考输入
?

控制器
?

? kca
网络

执行器 采样周期h 传感器

被控对象

输出

? ksc
设 NCS中被控对象的连续状态方程为:

图 3-1 具有网络诱导时延 NCS 结构图

? x(t ) ? Ax(t ) ? Bu (t ? ? k ) ? ? y(t ) ? Cx(t )
根据第二章对时延产生的分析,针对节点不同的工作方式,可以得到不同的系 统离散时间模型。为了对 NCS进行建模,首先对系统作如下假设: ( 1)传感器节点采用时间驱动方式,对被控对象的输出进行等周期采样,采 样周期为 h; ( 2)控制器节点和执行起节点均采用时间驱动方式; ( 3)控制器节点采用时间驱动方式而执行器采用事件驱动方式; ( 4)控制器节点采用时间驱动方式而执行器采用时间驱动方式; ( 5)控制器和执行器节点均采用事件驱动方式;
sc ca ( 6)整个控制回路总的时延 0 ? ? k ? ? k ?? k ? h ,且 ? k 为固定或随机的; sc ca ( 7)整个控制回路总的时延 0 ? ? k ? ? k ?? k ? lh ,且 ? k 为固定或随机的。

基于以上假设的不同组合,我们可以得到 NCS的不同数学模型。 例如:基于假设( 1)、( 5)、( 6)的 NCS的各节点的时序图为:

19

华北电力大学硕士学位论文

被控对象 输出 控制器 输入 执行器 输出 执行器 输入 被控对象 输入 (k ? 1)h
由此假设可得离散时间模型为 [38]:

? ksc

? kca

?k
kh
(k ? 1)h

图 3-2 NCS 中控制器和执行器均采用事件驱动方式的时序图

xk ?1 ? ?xk ? ?0 (? k )uk ? ?1 (? k )uk ?1
其中 , ?0 (? k ) ? ?
h ?? k 0

(3-1)

e As Bds , ?1 (? k ) ? ?

k

h ?? k

e As Bds , ? ? e Ah 。

基于假设( 1)、( 5)、( 7)的 NCS的各节点的时序图如图 3-3所示。

传感器节点

控制器节点

执行器节点

(k ? l )h

(k ? l ? 1)h (k ? 1)h

kh

(k ? 1)h

图 3-3 NCS 中控制器和执行器均采用事件驱动方式时序图

对于假设( 7),为了避免出现 k时刻发出的信息比 k+1时刻发出的后到的情况, 可采用在传感器和控制器段设置发送缓冲区的方法,这样可以保证信息按照时间先 后顺序到达。 由图 3-3 可知,在执行器为时间驱动的情况下,在一个采样周期 [kh,(k+1)h)内 加到被控对象的控制量分段连续且最多有 l ? 1 个不同值, 假设在采样周期 [kh,(k+1)h)
k 内各控制信号到达执行器端的时间序列为 kh ? tik , i ? 0,1, 2, l ? 1 , tik ? tik?1 , t? 1 ?h,

tlk ? 0 ,则可得离散模型为 [39]:

20

华北电力大学硕士学位论文

x(k ? 1) ? As x(k ) ? ? Bik uk ?1
i ?0

l

( 3-2)

其中 As ? e Ah , Bik ? ? k e A(t ?? ) Bd? 。 t
l

tik?1

以上介绍的两种模型是 NCS的常见的建模形式。此外,还可以基于七种假设的 不同组合可以得到其他的数学模型。可以看出,由于网络时延的存在,使得网络控 使得 NCS分析和设计更具有难度和挑战性。 制系统的分析变得复杂。若当时延为随机情况时,则 ? k 这种随机时变和不确定性,

3.3 具有固定时延的 NCS 的控制器设计
不同的网络产生不同的网络诱导时延,一般可分为固定时延和随机时延,严格 的固定时延在任何一种网络中都不存在,但如果在控制器和执行器的接收端设置缓 冲区可以将时延固定,如图 3-4所示。
参考输入
?

控制器 缓冲区 ? 2

?

?

ca k

缓冲区?1 执行器 采样周期h 传感器

被控对象 输出

网络

?

sc k

图 3-4 带有缓冲区的 NCS

转化为固定时延的优点在于可以利用确定性分析和设计方法对控制器进行设 计,从而达到对时延的补偿。已有的 NCS确定性控制方法主要有:增广确定性离散 时间模型方法、 基于观测器的分布时延补偿方法、 Smith预估控制、 变结构控制等等。 对于时不变控制器,前向通道和反馈回路的时延可以叠加在一起分析。因此, 图 3-4可以等效为图 3-5的形式:

参考输入
?

控制器
?

执行器

被控对象

输出

采样周期h P
设被控对象离散模型为:

传感器

图 3-5 确定性系统的等价机构图

? X k ?1 ? AX k ? Buk ? ? yk ? CX k

(3-3)

21

华北电力大学硕士学位论文

其中 ( A, B ) 可控, ( A, C ) 可观测。
1.补偿器的结构

采用观测器法建立时延补偿器结构设计如下 [40]: 观测器模型:
P ? 1 步预测器:

? ? ? X ? AX ? BU k ?1 ? L( yk ?1 ? CX ) k k ?1 k ?1 k ? 2 k ?1 k ? 2 ? ? X ? AX ? BU k ?1 , p ? 2 k k? p k ?1 k ? p
P?2 U k ? ? F?X k k ? , p

( 3-4) ( 3-5) ( 3-6)

预测控制:

? p 步预测估计, F 为状态反馈增益矩阵, L 为延迟补偿器的 其中 X k k? p 为 X k 的

观测器增益矩阵。观测误差定义为:
? ek k ? p ? X k ? X k k?p
L 为延迟补偿器的观测器增益矩阵的确定,有以下的定理:
T 定理 3.1 使 P 步延迟补偿器的预测均方误差 E{ek e } 最小的观测器增益矩阵 Lmin k? p k k? p

即为 P ? 1 时的一步预测性最小方差增益矩阵 K p ,即 Lmin ? K p 。 又根据 Kalman 滤波理论,有 K p ? AK f ,其中 K f 为最小方差 Kalman 滤波增益。
定理3.2:若被控系统( 3-3)一致完全可控和一致完全可观测,且系统 ( A, B) 可控,则

整个闭环系统可以实现稳定。 综上,可以利用分离定理分别设计 L 和 F ,在此基础上通过观测器和 P ? 1 步预 测器得到当前状态的估计值,然后通过状态反馈来控制对象。 由定理 3.1可知,此控制器还具有滤波功能,可以有效的消除噪声对网络控制系 统的影响。

3.4 具有随机时延的 NCS 的控制器设计
NCS的时延通常是随机的。随机的原因主要是由信息在网络中的等待,重发时 间决定的,所以在设计控制器模型时必须考虑时延的随机性。具有随机时延的 NCS 控制器设计的关键在于网络时延的合理建模和估计。目前,随机时延模型主要分两 类:一类是已知时延统计规律,相互独立的变量,在此基础上借助随机控制理论设 计使系统稳定的控制器。这是一类比较理想的建模方法,往往只适用于网络数据流 量较小的情况;另一类是将时延看成一个时变、有界量。这是一类实际的网络时延 情况比较相符的时延模型。传统的控制理论已不能很好的解决这类问题。因此,近 几年来,不少研究学者便着眼于现代控制理论,智能控制理论来研究这类问题,并 取得了不少的研究成果。目前对这类时延的补偿方法主要有:基于线性矩阵不等式
22

华北电力大学硕士学位论文

方法,预测控制方法,以及鲁棒控制方法,遗传算法,模糊控制方法等等。

3.4.1 基于时延统计规律的随机控制器设计
针对上述的第一类时延模型,对基于时延统计规律的独立随机时延,可利用最 优随机控制理论设计了使系统稳定的控制器。其具体方法如下: NCS系统结构图如图 3-1所示,其中传感器采用时间驱动,控制器和执行器均采 用事件驱动。 被控对象连续模型为:

? x ? Ax ? Bu ? ? y ? Cx
假设 ? ksc ? ? kca ? h ,因此满足 3.2 节中假设( 1)( 5)( 6),应用( 3-1)式得:

? xk ?1 ? ?xk ? ?0 (? k )uk ? ?1 (? k )uk ?1 ? ? yk ? Cxk
ca 其中 ?0 (? ksc ,? k )? ?
sc h ?? k ?? kca

( 3-8)

0

e As Bds ,?1 (? ksc ,? kca ) ? ?
N ?1 T

h

sc ca h ?? k ?? k

e As Bds ,? ? e Ah ,定义性能指标函
( 3-9)

? x(k )? ? x (k )? Q? 数: J N ? E[ x (N )QN x (N )]? E ? ? ? ? K ? 0 ?u ( k )? ?u (k )?
T

? Q11 Q12 ? 其中 Q 为加权阵 , Q ? ? ? ,为半正定。 ?Q21 Q22 ?
定理 3.3 对于上述给定的系统,如果状态量为可测输出,即 yk ? xk ,那么能量损失函

数最小控制律由以下 LQG 控制方法 [41]给出为:
?x ? uk ? ? Lk (? ksc ) ? k ? ?uk ?1 ?

( 3-10)

式中:
?1 T 21 Lk (? ksc ) ? (Q22 ? Sk22 Sk23 ?1 ) [Q 12 ? Sk ?1 ?1 ]

Sk ?1 (? ksc ) ? E GT (? ksc ,? kca )Sk ?1G(? ksc ,? kca ) ? kca ca
?k
sc k ca k

?

?

?? ?0 (? ksc ,? kca ) ?1 (? ksc ,? kca ) ? G(? ,? ) ? ? ? I 0 ?0 ?
Sk ? E {F1T (? ksc )QF1 (? ksc ) ? F2T (? ksc )Sk ?1 (? ksc ) F2 (? ksc )} sc
?k
22 ? 0 ? ?1 (Q22 ? S k ?1 ) I F1 (? ksc ) ? (Q22 ? Sk22 ) ? ?1 T 21 23 ? ? ?(Q12 ? Sk ?1 ) ? Sk ?1 ?

23

华北电力大学硕士学位论文

? (Q22 ? Sk22 ? 0 ?1 ) I ? sc 22 ?1 ? T 21 23 F2 (? k ) ? (Q22 ? S k ?1 ) ? ?(Q12 ? S k ?1 ) ? S k ?1 ? ? ? 0 (Q22 ? Sk22 ?1 ) ? ?

?Q SN ? ? N ?0

0? 0? ?

定理 3.3 给出了利用全状态反馈的控制算法,控制量的生成依赖当前的状态和 以前的控制量,每一步的迭代过程包含了随机时延 ? ksc 和 ? kca 的均值。

3.4.2 基于时变、有界时延的随机时延的补偿
针对第二类时延模型,多采用线性矩阵不等式( LMI)方法。近年来, LMI被 广泛用来解决系统与控制中的一些问题,随着解决 LMI的内点法提出, MATLAB软 件中 LMI工具箱的推出, LMI越来越受到人们的关注,已成为鲁棒分析和设计的重 要方法,在时滞不确定系统中的分析和控制中有着广泛的应用,同时也正逐步的被 应用到 NCS的分析和控制中 [42]。
3.4.2.1 系统描述

NCS系统结构图如图 3-1所示,其中传感器和执行器采用时间驱动方式,控制器 采用事件驱动方式。假设系统在不考虑网络时延时的被控对象和控制器模型如下:

? x ? Ax ? Bu 连续被控对象: ? ? y ? Cx
离散控制器: u(k ) ? ? Kx(k ) 由于采用了静态反馈,因此 ? ksc 和 ? kca 可以合并,为此,将图 3-1 转化为如下的等效 结构框图。

参考输入
?

控制器
?

执行器+对象 采样周期h

输出

d(k)
图 3-6 等价结构框图

传感器

考虑到网络的实际情况,假设存在正整数 dm 和 dM ,使 dm ? d (k ) ? dM , ?k ? 0
成 立,其中 d (k ) 为总的环路时延。

在图 3-6 所示的系统中,被控对象离散化以后的状态方程为:

24

华北电力大学硕士学位论文

? x(k ? 1) ? ?x(k ) ? ?u(k ) ? ? y(k ) ? Cx(k )
控制器 :
u (k ) ? ? Kx(k ? d (k ))
h

(3-11)

(3-12)

其中 ? ? e Ah , ? ? ? e At dt B , dm ? d (k ) ? dM 。
0

设计的目标是确定反馈矩阵 K ,使闭环控制系统在网络时延的情况下渐进稳定。 3.4.2.2.反馈矩阵 K 的求取 首先,将( 3-12)式代入( 3-11)得到被控对象离散模型为:
x(k ? 1) ? ?x(k ) ? ?Kx(k ? d (k ))
(3-13)

针对系统( 3-13),利用 Lyapunov稳定性定理求的了使该系统可镇定的充分条 件,并将该充分条件转化为 LMI问题,得到下面的定理。
定理 3.4 如果存在相应维数的矩阵 P, Q, X , Y , Z , K使得

? ?11 ?Y ? T ?Q ? ?Y ? ? ??K ? ? ? d M ( ? ? I ) ? d M ?K
及?

?T ? K T ?T ? P ?1 0

d M (? ? I )T ? ? ? d M K T ?T ? ?0 ? 0 ? ?d M Z ?1 ? ?

(3-14)

?X T ?Y

Y? ?0 Z? ?

(3-15)

成立,则系统( 3-13)渐进稳定。其中

?11 ? ?P ? dM X ? Y ? Y T ? (dM ? dm ? 1)Q
事实上,定理 3.4 将反馈矩阵 K 的求取转化为求解矩阵不等式( 3-14)的可行 解问题。但在( 3-14)中含有 P ?1 和 Z ?1 ,因此不能直接应用 LMI 求解,而采用锥补 线性化的方法,可将 (3-14)转化为一个线性矩阵不等式的最小化问题 。
定理 3.5(锥补线性化)双线性矩阵不等式( 3-14 ),可以通过锥补线性处理加以近

似转化为求下列目标函数的最小化优化问题。
P , M ,Q , N , X ,Y , Z , K

min

trace( PM ? ZN )

? ?11 ?Y ? T ?Y ?Q st. ? ? ? ??K ? ? ? d M ( ? ? I ) ? d M ?K

?T ? K T ?T ? P ?1 0

d M (? ? I )T ? ? ? d M K T ?T ? ?0 ? 0 ? ?d M N ? ?
(3-17)

(3-16)

?X ?Y T ?

Y? ?0 X? ?

25

华北电力大学硕士学位论文



?P I ? ?Z ?I M? ?0 ,?I ? ? ?

I? ?0 N? ?

(3-18)

定理 3.5将定理 3.4的非凸可行性问题转化为具有线性矩阵不等式约束的非线性 目标函数最小化问题。但由于目标函数是非线性的,因此需要进一步转化成为一个 线性矩阵不等式的迭代问题,算法如下: 对给定的时延 d m , d M ,找到一个可行集合 ( P, M , Q, N , X , Y , Z , K ) ,满足( 3-16) -( 3-18),并设 i ? 0 。 针对变量 ( P , M , Q, N , X , Y , Z , K ) ,求解如下的最小化问题:

min trace( PM ? PM i ? Zi N ? ZNi ) i

st 式( 3-16) -( 3-18)
设P i ?1 ? P , M i ?1 ? M , Zi ?1 ? Z , Ni ?1 ? N 。 验证求出的最优解是否满足( 3-14),若满足,则求出的最优解 K 即为系统的 镇定控制器。如果不满足,检查 i 是否达到规定的迭代次数,如果达到,则认为系 统无解;否则,设 i ? i ? 1 ,返回步骤( 2)。 此外,结合以上两种类型的随机时延控制器设计方法,文献 [43]中给出了根据 时延独立统计特性,应用 Markov链建立时延模型并对有界时延进行分析的方法。

3.5 小结
针对 NCS基本问题中的时延问题,本章主要研究了三种时延模型和现有的一些 控制方法。固定时延可以通过现有的确定性方法来补偿。随机独立时延(已知概率 分布)主要利用动态规划和最有随机控制理论,使设计出的控制器能够保证系统统 计意义上的稳定性和性能指标。当时延是时变,有界的情况下,可以利用 LMI来设 计使系统稳定的控制器。目前, NCS控制器的设计方法主要还是集中在传统控制方 法上,为了能更多的考虑到 NCS中网络诱导时延的不确定性因素。而智能控制与传 统控制的主要区别在于传统的控制方法必须依赖于被控对象的模型,而智能控制可 以解决非模型化系统的控制问题。因此下一章将研究智能控制在网络控制系统时延 补偿中的应用。

26

华北电力大学硕士学位论文

第四章 Fuzzy-PID 网络控制器设计
4.1 引言
上一章研究了 NCS 的三种时延模型和相应的控制方法。所采用的确定性控制方 法和随机性控制方法都是基于时延和被控对象的精确数学模型之上的,而在实际的 NCS 中往往存在着诸多的不确定性,主要包括网络时延的不确定性和被控对象的不 确定性以及当前网络 QoS 的不确定性。虽然在上一章中提到的 LMI 方法在一定程度 上能解决时延和被控对象的不确定性问题,但是这类方法涉及到大量的矩阵变换和 处理,计算复杂,并且有时会出现找不到解的情况。而模糊控制适用于被控对象不 确定、不精确尤其是非线性、时变、滞后的系统的控制。为此,本章利用模糊控制 对模型参数变化不敏感及易于实现等优点,通过将模糊逻辑与传统的控制方法相结 合来实现对网络诱导的随机不确定时延的补偿。

4.2 模糊控制理论基础
模糊逻辑控制论是 1965 年由扎德教授首先提出。它的主要思想是吸取人类思 维具有模糊性的特点,通过模糊逻辑推理来实现对众多不确定性系统的有效控制。 传统的控制是从被控对象的数学机构上去考虑进行控制的,而模糊控制时从人类智 能活动的角度和基础上去考虑实施控制的,其设计的核心是模糊控制规则和隶属度 函数的确定。从线性控制与非线性控制的角度分类,模糊控制是一种非线性控制; 从控制器的智能性看,模糊控制属于智能控制的范畴,而且它已成为目前实现智能 控制的一种重要而有效的方法。

4.2.1 模糊控制系统的组成
模糊控制系统是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理 为理论基础,采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制 系统。模糊控制系统作为一种自动控制系统,具有自动控制系统的某些共性。它的 核心就是具有智能性的模糊控制器,这是它与其他自动控制系统的不同之处。 通常模糊控制系统是由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、被控对象和测 量装置等五个部分组成,其组成框图如图 4-1 所示。
给定值
?

A/D
?

模糊控制器

A/D

执行机构

被控对象

被控制量

传感器

图 4-1 模糊控制系统框图
27

华北电力大学硕士学位论文

4.2.2 模糊控制器原理
模糊控制器是模糊控制系统的核心,也是模糊控制原理实现的关键。它由模糊 控制条件语句构成的控制规则来实现。他主要由模糊化接口、语言规则知识库、模 糊推理机以及解模糊接口四部分组成 [44]。
语言规则知识库
清 晰 量 e 模 糊 量 E 模 糊 量 U 清 晰 量 u

yr

模糊化接口

模糊推理机

解模糊接口

对象

y

图 4-2 模糊控制器的结构图

( 1 )模糊化接口:模糊化接口功能包括量程转换和模糊化两个部分。即把输 入信号清晰量 e 的数值映射到相应输入的论域上,再把它转换为论域上的一个模糊 子集。从而得到模糊量 E。 在模糊控制中主要采用以下模糊化方法。 ( a )单点模糊集合:如果输入量数据 x0 是准确的,则通常将其模糊化为单点 模糊集合。设该模糊集合用 A 表示,则有
?1 ?0 x ? x0 x ? x0

? A ( x) ? ?

这种模糊化方法只是形式上将清晰量转变成了模糊量,而实质上它表示的仍是 准确量。当测量数据准确时,采用这样的模糊化方法是十分自然和合理的。 ( b)三角形模糊集合:如果输入量数据存在随机噪声,这时模糊化运算相当于 将随机量变换为模糊量。对于这种情况,可以取模糊量的隶属函数为等腰三角形。 其解析式为:
?x ?b ?a ?b ? ?c ? x ?A ? ? ?c ? a ?0 ? ? b?x?a a?x?c x ? b或x ? c

( c)正态分布的函数,其解析式为:

? A ( x) ? e

?(

x ?a 2 ) b

,b ? 0

( 1) 语言规则知识库:知识库包含应用领域方面的知识,主要有数据库和规
28

华北电力大学硕士学位论文

则库组成。 ( a )数据库:提供所有必要的定义,所有输入、输出变量所对应的论域以及 这些论域上定义的规则库中所使用的全部模糊子集的定义都存放在数据库中。如果 论域是离散形式,则模糊子集在数据库中存放的是其在各离散点的隶属度;如果论 域是连续的, 则模糊子集数据库中存放他的隶属函数。在模糊控制器的推理过程中, 数据库会像推理机提供必要的数据。在模糊化接口和解模糊接口进行模糊化和解模 糊时,数据库也向它们提供相关论域的必要数据。 数据库包含了与模糊控制规则及模糊数据处理有关的各种参数,其中包括尺度 变换参数、模糊空间分割和隶属度函数的选择等。 ( b )规则库:用来存放模糊控制规则,模糊控制基于手动操作人员长期积累 的控制经验和领域专家的有关知识,他是对被控对象控制的一个知识模型。控制规 则的表达形式也是按人的知觉推理的语言表达形式即是一种模糊条件语句形式。 模糊控制规则,即以“ If?, Then?”形式表示的模糊条件语句,如:

R1 : if e * is A1 and e* is B1 , then u* is C1 ,
R2 : if e * is A2 and e* is B2 , then u* is C2 ,
? ?

Rn : if e * is An and e* is Bn , then u* is Cn 。
其中, e * 和 e* 是语言变量, A1 , A2 ?, An 是 e * 的模糊集合, B1 , B2 ,?, Bn 是 e* 的模糊集合, C1 , C2 ,? Cn ,是 u* 的模糊集合。 规则库中的 n 条规则是并列的,他们之间是“或”的逻辑关系,整个规则集的 模糊关系为:
R?
n

Ri
i ?1

( 2) 模糊推理机:采用某种模糊推理方法,由采样时刻的输入模糊量 E 和模 糊控制规则推导出模糊控制器的输出模糊量 U 。模糊控制器中使用的推理机制比典 型的专家系统中运用的推理要简单,这是因为在模糊控制器中一条规则的结论是不 会作为另一条规则的前提条件来使用的,所以控制作用是基于同一级的数据驱动的 向前推理。推理机按照模糊推理的合成规则进行运算从而求得控制作用。 模糊推理是模糊控制器的核心,它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。该 推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。模糊推理通过模糊规 则库(模糊蕴涵)来完成论域 X 上的模糊集合到论域 Y 上的模糊集合的映射关系。 一个简单的模糊推理过程表示如下: ( 4)解模糊接口:与模糊化相反,是将 U 由计算机转化为清晰量 u 的过程。
29

华北电力大学硕士学位论文

计算机在执行模糊控制算法时,他从模糊推理中得到的模糊控制作用必须转化为执 行机构所能接受的精确量。模糊化接口主要有两个功能:其一是量程转换,他把输 出作用的论域转化为输出物理量的变化范围,在运行时解模糊求得的输出论域上的 点转化为输出的物理量的值;其二是解模糊,即将推理机得到的模糊控制方案转化 为一个精确的控制量,它是输出论域上的一个点。常用解模糊的策略有: ( a )重心法:它取推理结论模糊集合隶属函数曲线与横坐标轴所围成的面积 的重心为代表点,即

u?

? x? ( x)dx ? ? ( x)dx
N N

当输出变量的隶属函数为离散单点集时,则为:

u?

? x ? (x ) ? ? (x )
i N i N i

重心法的实质为加权平均法,权值为推理结论模糊集合中各元素的隶属度。 ( b)最大隶属度法:指在推力结论的模糊集合中选取隶属度最大的元素作为精 确控制量的方法。如果论语上多个元素同时出现最大隶属度值,则取它们的平均值 作为解模糊判决结果。设存在模糊集 C,所选择的隶属度最大的元素 u* 应满足:

?c (u* ) ? ?c (u), u ?U
如果该模糊集合隶属函数曲线是梯形平顶的,那么具有最大隶属度的元素就是 可能不止一个,这是就要对所有区最大隶属的元素求取平均值。 ( c )系数及权平均法:系数加权平均法是指输出量模糊集合中各元素进行加 权平均后的输出值作为输出执行量,其值为:

u?

? xk ( x) ? k ( x)
?k x ?k
i i i

当输出变量为离散单点集时,则为:
u?

这里权系数 k ( x) 、 k i 的选择要根据实际情况确定,不同的权系数决定由不同的 响应特性当该权系数选择 k ( x) ? ?N ( x ) 或 ki ? ?N ( xi ) 时,就是前边所说的重心法。

4.2.3 模糊控制器的输入输出变量
模糊控制器的输入变量可以有三个,即误差、误差的变化和误差变化的变化, 输出变量一般选择控制的变化。 通常模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制的维数。下面以单输入单输出模
30

华北电力大学硕士学位论文

糊控制器为例,给出几种结构形式的模糊控制器,如图 3-5 所示。
E
模糊控制器

C

E d / dt

E ? E

模糊控制器

C

(1)一维模糊控制器

(2)二维模糊控制器

E

E ? E

d / dt

d / dt

?? E

模糊控制器

C

(3)三维模糊控制器

图 4-5

模糊控制器的结构

一般情况下,一维模糊控制器用于一阶被控对象,由于这种控制器输入变量只 选择误差一个,它的动态控制性能不佳。所以目前被广泛采用的均为二维模糊控制 器,这种控制器,以误差和误差的变化为输入变量,以控制量为输出变量。 从理论上讲,模糊控制器的维数越高,控制精度越细。但是维数过高,模糊控 制规则变得过于复杂,控制算法的实现相当困难。

4.2.4 模糊控制器设计的基本方法
模糊控制器在模糊自动控制系统中具有举足轻重的作用,因此在模糊控制系统 中,设计和调整模糊控制器的工作是很重要的。 模糊控制器的设计包括以下几项内容: (1) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量(即控制量) ; (2) 设计模糊控制器的控制规则; (3) 确立模糊化和清晰化的方法 (4) 选择模糊控制器的输入变量和输出变量的论域并确定模糊控制器的参数; (5) 编制模糊控制算法的应用程序。

4.3 带 PID 的网络化控制系统
在控制领域中,尽管已经出现了许多复杂的控制理论和技术,但现代工业过程 中的许多控制系统还是有 PID 控制器来调节的。因此,分析和研究当这个 PID 控制 系统通过网络来实现闭环控制之后,网络对 PID 控制系统性能的影响及设计一个能 够补偿网络所诱导的时延的补偿器,将具有重要的实际意义。这样使本章所研究的 主要内容。简单的 PID 调节已无法满足网络控制系统。传统的 PID 网络控制系统结 构如图所示:

31

华北电力大学硕士学位论文

r (t )
?

e(t )
?

PID

ur ( r )

? ca

uc (t ? ? ca )

执行器

被控对象

yc (t )

yr (t ? ? sc )

? sc

传感器

图 4-6 传统的 PID 网络控制系统结构图

若考虑网络时延,则有 :

uR (t ) ? uc (t ?? ac )

yR (t ) ? yc (t ?? sc )

定义 0 ? ?1 ? ?2 ? 1, e(t ) ? r (t ) ? yR (t ?? sc ) ,则 PID 控制器可采用以下表示形式:
u pid (t ) ? ur (t ) ? K p e(t ) ? K i ? e(t )dt ? K d ? K p ( r( t) ? y ?t? R (
sc

de(t ) dt
sc

? )) ? Ki

(r? (t ) Ry ? ? (t

d ( r( t) ? Ry (?t? ?) ) d t dK dt

sc

))

由于网络系统得通讯具有随机性和非线性时变得特点,因此难以建立精确的数 学模型。当被控对象的参数和结构不确定和未知时,传统控制方法已较难确保理想 的控制性能,而采用模糊逻辑控制是一种有效的解决方法。针对不确定性时延的网 络控制系统,利用 Fuzzy-PID 控制器,克服随机时延的不利影响。

4.4 模糊补偿 PID 控制器设计
对于难以确定精确数学模型或具有非线性、慢时延和纯滞后的被控过程,为了 获得较好的控制性能,要求 PID 控制器的参数应能够根据过程的特点和工况的变化 进行调整,通过模糊规则和模糊推理方法对 PID 控制参数进行自校正是一种有效的 途径之一 [45]。这种类型的控制系统典型结构如图 4-2。
模糊 补偿器

?
ur (t )

r (t )
?

?

e(t )

PID

u pid

? ca

uc (t ? ? ca )

执行器

被控对象

yc (t )

yr (t ? ? sc )

? sc

传感器

图 4-7 带有模糊补偿器网络化控制系统框图

此时,控制器的输出满足关系式: ur (t ) ? ? u pid 其中 ? 为模糊调制器的输出调制参数,用于提高网络时延变化是 PID 控制器的 性能表现。模糊调解的基本原理:通过对被控单元的输入量调制,如减小 PID 控制
32

华北电力大学硕士学位论文

的增益, 使控制器的输出符合被控对象所需的控制量, 防止进入不稳定的运行状态, 同时确保获得理想的动态相应特性。 设计模糊补偿器的输入为参考信号 r (t ) 与网络反馈信号 yR (t ) 的差值 e(t ) ,输出 为补偿网络时延对 PID 控制器影响的调制参数 ? 。模糊补偿器的设置及两条规则语 句: If e(t ) is Small, then ? ? ?1 ; If e(t ) is Large, then ? ? ?2 ; 其中, ?1 、 ?2 为结论参数。模糊调制器的输入输出隶属度函数如图: 4-7,满足
? ?1 ? ?? ?e ? 12 r ? small (e) ? ? ? ? 12 ? ? 11 ? ?0 ? ? e ? ? 11 r

? 11 ?

e ? ? 12 r

e ? ? 12 r

0 ? ? 21 ? ? 11 ? ? 22 ? ? 12 ? 1 , 0 ? ?1 ? ?2 ? 1。
模糊调制参数 ? 采用重心解模糊方法获得:

??

?1?small (e) ? ?2 ?l arg e (e) ?small (e) ? ?l arg e (e)

4.5 fuzzy-PID 复合控制器设计
此类 Fuzzy-PID 控制器的特点 [46]:是在大偏差范围内利用模糊推理的方法调整 系统的控制量 U,而在小偏差范围内转换成为 PID 控制,两者的转换根据事先给定 的偏差范围自动实现。其控制结构图如图 4-6 所示。
模糊控制器 d/dt

e ? e0 ?

r

?

?

PID控制器

? ca
? sc

执行器

被控对象

y

传感器

图 4-8 Fuzzy-PID 复合控制系统典型结构

将系统偏差分为不同的区域,在每个区域采用不同的控制作用或它们的组合进
33

华北电力大学硕士学位论文

行调节,根据系统实际偏差的大小在各种控制作用之间进行切换,其设计关键在于 切 换 逻 辑 的 选 择 。 在 网 络 控 制 系 统 中 e0 与 网 络 最 大 允 许 延 迟 时 间 ( Maximum Allowable Delay Bound , MADB )有关的,在文献 [47] 中,给出了一种基于系统稳 定性的 MADB 的测定方法。当 ? >MADB 时,即 e ? e0 时,采用模糊控制器。

4.6 小结
现有的时延网络控制系统的补偿手段主要采用传统的控制理论,且假定的理想 化条件较多,如假设单包传送、通讯无误等,因此应用于实际的控制网络时难以获 得理想控制效果。本章针对网络时延不确定性,将模糊逻辑补偿算法引入传统 PID 控制器的设计中,以消除闭环网络控制系统中由时延引起的控制性能下降、系统不 稳定等不利影响。在模糊 PID 时延补偿算法中,无需更改传统 PID 控制器的设计, 以模糊补偿器调制 PID 控制器的输出,实现模糊逻辑条件参数与结论参数的整定, 模糊调制器充分利用了模糊控制理论规则少、应用简单灵活的特点,在保持系统稳 定性的同时,有效削弱了控制系统中由不确定性时延造成的脉动与振荡,在改善远 程网络控制系统的动、静态性能方面表现出了较传统 PID 控制更强的功能特性。以 实时性要求较高的无刷直流电机为应用实例,仿真结果证明了该控制算法的正确 性、 有效性和可行性, 该方法可使具有时延特性的远程网络控制系统保持良好的动、 静态特性与较强的抗干扰能力。

34

华北电力大学硕士学位论文

第五章 基于 matlab/simulink 的 NCS 仿真环境研究
5.1 引言
目前,控制系统研究最常用的仿真工具是 Matlab 仿真软件,它也是目前研究 NCS 的主要仿真手段之一。但事实上仅仅采用 Matlab 仿真对于研究 NCS 存在一定 的局限性。这是因为 NCS 是一个实时性要求较高的系统,其周期性的采样过程要求 采样数据能够尽可能地在每个采样周期内通过网络传输到控制器上。这些都要求有 实时系统和实时网络的支持。对于这样一个实时网络控制系统的研究,其关键问题 就在于测试端到端的响应时间、网络负荷及采样周期对控制性能的影响,以确定控 制器参数,而对 NCS 的仿真需要同样体现这些特性。从通讯的角度看, NCS 的仿 真过程应能体现网络特性,包括总线类型、网络速率等。从控制的角度看, NCS 的 仿真过程应能体现控制特性,包括超调量、上升时间、稳定时间等,其常用的软件 为 Matlab/Simulink 平台。但这一平台缺乏对网络特性的有效反映。因此,开发出能 体现体现控制系统动态性能和网络特性的仿真工具,对研究 NCS 显得至关重要。

5.2 Truetime 工具箱结构与功能
Eker J. and Cervin A 开发了基于 Matlab/Simulink 的 Truetime 工具箱 [48]。如图 5-1。Truetime 工具箱主要包括了 TrueTime Computer 与 Truetime Network 两个接口 模块。

图 5-1 版本 1.5 的 Truetime 工具箱

Truetime 具有很强的功能:
35

华北电力大学硕士学位论文

( 1) 用于研究因强占或者传输时延等时间不定性对控制性能的影响; ( 2) 基于测量实际时变,设计动态调节控制器,用于系统的补偿; ( 3) 进行新的更加灵活的动态调度方法实验,如 CPU 时间和通信带宽的反馈 调度和基于 QoS 的调度方法; ( 4) 用于仿真事件驱动的控制系统等方面的研究。

5.2.1 计算机模块
Truetime Computer 模块具有灵活的实时内核,A/D 和 D/A 转换器,与网络模块 连接的信号端口(信号接收( Rcv ),信号发送( Snd )),实时调度( schedule ) 显示端口等,此外,还有一个外部中断通道( Interrupts )可以处理外部中断。该模 块主要用于执行用户定义的线程以及中断处理,如 I/O 任务,控制器任务和网络交 互任务等独立的计算机模块功能。该模块可以是时间驱动也可以是事件驱动,按照 用户定义的任务执行,代码采用 Matlab 或 C++编写。其结构图如图 5-2。

图 5-2 Truetime Computer 模块参数设定

5.2.2 网络模块
Truetime Network 模块按选定方式工作,该模块包括两个信号端口(信号接收 ( Rcv ),信号发送( Snd )),以及一个实时调度( schedule )显示端口。参数设 定包括节点数目、传输速率,媒体访问控制协议和其他参数,其中收发信号端口可 以通过 Matlab 模块扩充至多个接口,媒体访问控制协议包括 CSMA/CD(随机载波 监听 /冲突检测)、CSMA/CA(载波监听多路获取 /冲突避免)、TDMA(时分多路 复用)、FDMA(频分多路复用)、round robin(令牌网)或 Switched Ethernet 等方 式,如图 5-3。 Truetime Network 模块采用事件驱动方式工作,当有消息进出网络时,网络模 块执行工作。信息包含发送和接收计算机节点的信息、用户数据(如测量信号或控 制信号)、传送时间和可选择的实时特性(如优先级或时限)。
36

华北电力大学硕士学位论文

图 5-3 Truetime Network 模块参数设定

5.3 初始化
使 用 Truetime 进行仿真时,首先要对网络控制系统中的网络模块 Truetime Network 和各个节点即计算机模块 Truetime Computer 进行初始化,初始化涉及输入 和输出端口的数目,选择优先级函数、定义代码函数、建立线程与中断句柄等。 初始化时,用户首先要设置各种参数,并且编写各种代码函数实现所需功能, 代码可以采用 Matlab 语言或者 C++编写,编写代码可通过调用伪码完成,在计算机 内核中提供了一组能够被用户调用的实时伪码,表 5-1 给出了部分伪码示例 [49],编 写的代码用于创建各种任务与网络中断句柄。初始化中计算机内核与网络是两个基 本的初始化内容, 分别采用了 ttInitKernel ( nbrInp, nbrOutp, prioFcn) 与 ttInitNetwork ( nodenumber, handlemame)形式表示。 ttInitKernel 中 nbrInp 为输入通道的数目, nbrOutp 为 输 出 通 道 的 数 目 , prioFcn 为 采 用 的 调 度 策 略 , 而 ttInitNetwork 中 nodenumber 为网络中节点的地址, handlernam e 中 nodenumber 为网络中节点的地址, handlername 为被调用的中断句柄名,如 ttInitKernel ( 1, 0,‘ RM’)表示采用了 RM (单调速率)调度策略。如网络中节点 4 控制器初始化为 ttInitNetwork ( 4 , ‘ msgRcv’)。 ttAnalogIn(ch) ttAnalogOut(ch,val) ttSendMsg(rec,data,len) ttGetMsg() ttwait(ev) ttCreateTimer(time,ih) ttSetPriority(val)
表 5-1 从输入通道取值 设定输出通道值 从网络上发送信息 从网络输入队列中获取消息 等一个事件 在指定时间触发中断句柄 改变任务优先级 伪码举例
37

华北电力大学硕士学位论文

初始化的主要步骤: ( 1 )初始化功能块内核,设置功能块输入、输出端口的数目和调度策略。调 度策略一般采用 prioFP(固定优先级)方式。因此在后面的仿真平台搭建时初始化 程序为: ttInitKernel(1, 0, 'prioFP') ,即初始化 controller 节点中 truetime kernel 模块, 1 个输入,无输出,调度协议为 FP 协议。 ( 2 )定义任务函数,并根据节点采用驱动方式,设置不同的任务调度策略。 对于时间驱动节点,调用 ttCreatePeriodicTask 函数,设置周期性的任务调度策 略,以及实现定时采样功能。对于事件驱动节点,调用 ttCreateInterruptHandler 函数,设置中断式任务调度策略,使节点在接收到网络数据后触发相应的任务。 ( 3)初始化网络端口,设置节点对应的网络端口代号。 控制网络功能由 Truetime Network 功能块实现。网络类型、节点数、传输速 率以及丢包率等参数可以通过 Truetime Network 功能块的设置窗口进行设置。具 体的参数选择根据网络类型的不同而不同。

5.4 网络控制系统仿真研究
在使用 Truetime toolbox 建立仿真系统的过程中,最重要的技术问题在于如 何使用 Truetime Kernel 来实现控制算法。 通过研究 Truetime Kernel 的源代码了解到, Truetime Kernel 和 Truetime Network 的本质是两个 S-Function 模块。 Truetime Kernel 模块可以生成管理模拟 进程,所以可在 Truetime Kernel 的 init script 中创建一个非周期任务来实现控 制算法。这个非周期任务被列入 Truetime Kernel 的任务队列,在每一次仿真调用 S-Function 的 mdlOutput()方法时被执行。这就可以实现一个事件驱动的数字控 制器。创建非周期任务需要用到 TrueTime Kernel 提供的任务创建函数: ttCreateTask ( name, deadline, priority, codeFcn, data); 如果所需要的控制器是时间驱动,可调用 Truetime Kernel 提供的另外一个周 期任务创建函数: ttCreatePeriodicTask( name,release,period,priority ,codeFcn,data); 这是创建的任务会被列入 Truetime Kernel 的数据结构中的周期任务队列,每 当仿真模型中的模拟时钟运行了一个周期,这个队列中的任务会被调用一次。 例如:本文仿真 PID 控制器时,采用创建的为非周期任务的创建函数: ttCreateTask('pid_task', deadline, prio, 'ctrlcode', data) ; 意义为创建非周期任务,在任务的名称为“ pid_task”,任务的执行代码来自 文件“ ctrlcode.m ”, data 是 ctrlcode.m 的输入参数。

38

华北电力大学硕士学位论文

Matlab 提供的 MEX 函数可用于在程序运行中调用一个系统的内部命令: int mexCallMATLAB( int nlhs,mxArray *plhs[] ,int nrhs,mxArray *prhs[] , const char*command_name ); 这个函数通过可以调用 Matlab 内部的命令 “ sim” 来启动一个 Simulink model 。 此时只需要在 Simulink model 中设置好输入输出 port,然后按照设置的 port 个数 和格式使用“ sim”命令向它传递参数并控制 model 的执行即可。基于这个函数调 用,本文采用如图 5-4 所示的调用过程来将 Fuzzy toolbox 建立的模糊模型嵌入到 用 TrueTime 建立的控制器中。 图中的 ctrlcode.m 是在 TrueTime Kernel 中创建的非周期任务代码。
ctrlcode.m outp=ttCallBlockSystem(??) callblocksystem.cpp i=mexCallMATLAB(??,”sim”); fuzzy_controller_block.mdl r Fuzzy_controller.fis y u

图 5-4 在 Truetime 中调用模糊控制模块的解决方案

Outp=ttCallBlockSystem(2,inp, ’fuzzy_controller_block ’);% 调 用 模糊 控制 器的 Simulink model 计算控制循环的控制量。

5.5 仿真说明
设计中的控制对象为一位置伺服系统,该类系统在基于网络的控制系统中常被 作为被控对象。一方面体现出网络控制对延伸控制距离方面的应用;另一方面,由 于该系统的执行机构为一直流伺服电机,为快动对象,对时延比较敏感,有必要对 其在存在网络时延的情况下的控制问题进行研究 [50]。 被控对象为一位置伺服系统,该系统的执行机构为一时间常数为 50ms 的直流 伺服电机,系统的开环传递函数为:
G(s) ?

?
u

?

32 s(0.05s ? 1)

其中, ? 为电机的角位移, u 为电机的输入控制电压。取角速度 v 为系统状态, 角位移 ? 为系统输出。控制器采用了常规的 PID 控制来计算控制信号,数学表达式 如下:

39

华北电力大学硕士学位论文

u (t ) ? K p e(t ) ? K i ? e(t ) dt ? K d

de(t ) dt

其中 , e(t ) ? r (t ) ? y(t ) , r (t ) 是系统的参考输入 , y(t ) 是系统的输出,这里 的 y(t ) ? ?(t ) ,直流电机的速度 , u(t ) 是直流电机的输入电压。

5.5.1 PID 控制器设计仿真
在 Truetime 环境下,建立模型仿真平台如图:

图 5-5 应用 TrueTime 构建网络控制系统仿真图

其中,传感器节点( Sensor)和控制器节点( Controller )均采用时间驱动, 采样周期为 0.01s。 其中 PID 控制器设计的计算公式为 :
P(k ) ? K ( ? r (k ) ? y(k ))

I (k ? 1) ? I (k ) ?

Kh (r (k ) ? y(k )) Ti

D(k ) ? ad D(k ?1) ? bd ( y(k ?1) ? y(k ))
u(k ) ? P(k ) ? I (k ) ? D(k )

其中:
40

华北电力大学硕士学位论文

ad ?

Td NKTd , bd ? Nh ? Td Nh ? Td

针对闭环带宽 wc ? 20rad / s,阻尼系数 ? ? 0.7 的系统选择控制器参数 。 下面,我们首先对上述系统在直接采用 PID 控制的情况下,对不考虑网络时延, 参考输入 r ? 50rad / s,寻优调节 PID 控制器参数为 ( K p , Ki , Kd ) ? (1.14, 0, 0.03) , 其中对控制器及控制制节点的编写程序为: ?? % Create task data (local memory) data.u=0.0; % 初 始 化 data 数 据 结 构 , 这 个 数 据 结 构 将 作 为 参 数 输 入 到 controller 节点创建的任务函数中; data.K=K; data.ad=Td/(N*h+Td); data.bd=N*K*Td/(N*h+Td); data.Dold=0.0; data.yold=0.0; ?? ?? P=data.K*(r-y); Inew=data.I+data.K*h*(r-y); D=data.ad*data.Dold + data.bd*(data.yold-y)/Ti; data.u=P+I+D; data.Inew=I; data.Dold=D; data.yold=y; ?? 其仿真结果:

图 5-6 带 PID 的以太网仿真特性
41

图 5-7 带 PID 的令牌网仿真特性

华北电力大学硕士学位论文

加入时延后的方针结果:

图 5-8 时延小于 h 以太网仿真特性

图 5-9 时延小于 h 令牌网仿真特性

图 5-10 时延大于 h 以太网仿真特性

图 5-11 时延大于 h 令牌网仿真特性

由图可见,以太网的随机时延的影响小于令牌网的确定性时延,且当时延大于 h 后 PID 不能调节网络时延对系统稳定性带来的影响。

5.5.2 Fuzzy-PID 控制系统设计仿真
将给定位移和直流位置伺服系统实际输出量之间的偏差 e 模糊化,选择语言集 为 { 负大( NB ),负中( NM ),负小( NS ),零( ZO),正小( PS )正中( PM ), 正大( PB ) } ,模糊论域选择为 [-n , n] ,可根据最大位移偏差范围 [-q , q] ,初步 确定量化因子:
Ke ? n q

对 e 的变化率 ec 和控制输出 u,选择语偏差具有相同的语言集合模糊论域。同 样根据误差变化率变化范围和控制输出的允许范围,初步确定误差变化率量化因子

Ke 和输出比例因子 Ku 的取值。
在设计过程中,选取模糊变量的模糊论与均为 [-1 , 1] ,选取相同的三角形隶 属函数。 通过查阅资料,并结合直流电机位置伺服系统得调节特点,在模糊数学,模糊
42

华北电力大学硕士学位论文

语言形式的知识表达基础上,总结得到模糊控制规则,表 5-2:

图 5-12 E、EC、u 的隶属度函数 e ec NB NM NS ZO PS PM PB NB NB NB NB NB NM NS ZO NM NB NB NB NM NS ZO PS NS NB NM NS NS ZO PS PM ZO NM NM NS ZO PS PM PM

图 5-13 推理规则曲面 PS NM NS ZO PS PS PM PB PM NS ZO PS PM PB PB PB PB ZO PS PB PB PB PB PB

表 5-2 模糊控制规则表

仿真结果为:

图 5-13 时延小于 h 时加模糊补偿

图 5-14 时延大于 h 时加模糊补偿

图 5-15 时延大于 10h 时加模糊补偿
43

华北电力大学硕士学位论文

由以上仿真实例可得,模糊控制器能有效地补偿因网络引起的时延问题,但对 时延的补偿也有一定的范围,实验说明此模糊控制器对于大于 10h 的网络时延的调 节尚不完善。

5.6 小结
可见,利用 Truetime 与 Matlab/simulink 相结合进行关于 NCS 系统仿真的优 点在于 : ( 1 )由于该仿真软件中两个基本模块具有通用性,在构建各个处理单元时只 需选用其相应得接口功能进行连接即可,因此大大加快模型构建速度。 ( 2)该仿真软件可以方便模拟各种实时调度策略,并通过 Scope 可以很方便的 观察各个任务的调度情况和对象的输出。 ( 3 )在网络模块中,可以很方便的模拟数据传输率,包的大小和丢包率等网 络参数,有利于分析各类参数对 NCS 的性能影响。 网络控制系统是涉及控制系统与通信网络的复杂系统,传统上对于具有时延的 分布式控制系统研究,往往采用 Matlab/Simlink ,利用延时模块进行简单的仿真, 功能相对较弱,而利用 Truetime 工具箱,可以对网络时延、网络参数对系统性能的 影响,控制方法,网络调度等多方面进行综合仿真研究,从而使得网络控制系统的 研究更加容易。

44

华北电力大学硕士学位论文

第六章 总结与展望
网络控制系统是将通信网络引入控制系统,实现了现场设备控制的分布化和网 络化,同时也加强了现场控制和上层管理之间的联系。但随之也带来了如网络诱导 的时延、网络调度、数据包的多包传输及丢失等诸多问题,本文在此背景下针对网 络诱导的时延进行了研究和分析。

6.1 总结
本文首先介绍了工业计算机控制系统的发展历程,引出了网络化控制系统的产 生原因、概念和亟待解决的若干问题。然后深入分析了目前对网络控制系统研究、 网络引起的时延补偿,系统地阐述了国内外研究现状,对一些学者的著作进行了综 述。对网络控制系统中的采样技术进行分析,并分析了三种不同协议的控制网络的 特点和性能。通过研究了网络控制系统中的时延组成和特性,建立不同条件的数学 模型。依据数学模型,利用设置缓冲区对固定时延进行了补偿器设计。分别利用随 机理论、最优控制和 LMI 法对随机时延的补偿作了研究。针对网络控制系统建模复 杂和不确定性,应用智能控制中的模糊控制理论,建立了模糊补偿 PID 控制器和 Fuzzy-PID 复合控制器。介绍基于 Matlab/Simulink 的 Truetime 的网络化控制系 统的仿真平台的建立和实验,并以直流伺服电机为控制对象进行了仿真实验,说明 控制器设计的优点和可行性。

6.2 研究展望
目前对 NCS 的研究多基于大量的假设条件,而这些假设条件在实际的应用中往 往显得过于苛刻。本文从控制理论的角度应用智能控制研究 NCS 中的控制器设计, 虽然取得了一些成果,但仍有许多工作值得进一步的研究 : ( 1)目前对网络控制系统的研究主要从两方面展开 :一是从通信技术着手,通 过研究如何设计恰当的网络协议,使得通过网络协议来调度网络中被传输的数据, 并且使这些数据能够满足各自的实时性要求;二是从传统控制理论角度出发,研究 不定时延系统的控制方法。如果将两方面结合起来,将是一种不错的尝试思路。 ( 2)目前 NCS 中网络环节的建模方法还相对较少,并且缺乏普遍适用性,大 多针对单输入单输出回路的简单描述,如何对 现场总线上的多个回路进行综合建 模,产生一个通用的多输入多输出系统的通信环节模型,是颇有研究意义的问题。 ( 3 )如何真正的把网络化控制系统的仿真平台搭建的更符合实际工况,更能 体现远程控制或单元机组中的控制,并应用于系统仿真机中,也是一个值得深入研 究的课题。
45

华北电力大学硕士学位论文

参考文献
[1]王慧 .计算机控制系统 .北京:化学工业出版社 .2000.245 ~ 256 [2]阳宪惠 .现场总线技术及其应用 .北京 :清华大学出版社 ,1996. [3] 黎 善 斌 , 王 智 , 张 卫 东 , 孙 优 贤 . 网 络 控 制 系 统 的 研 究 现 状 与 展 望 . 信 息 与 控 制 .2003.3: 239~ 244 [4] 顾洪军 . 网络控制系统建模及性能分析方法的研究: [ 博士学位论文 ].北京:清 华大学 .2001 [5] 李昌禧、张洪、李跃忠、刘红丽 .测量、控制与管理一体化技术 . 北京:国防工 业出版社 .2004 [6] 张云生 .网络控制系统 .重庆:重庆大学出版社 .2003 [7]A.Ray,Y.Halevi.Integrated 373 [8]A Ray,Y.Halevi, Integrated Communication and Control Systems:Part II-design considerations, Journal of Dynamic Systems Measurement and Control.1988.374 ~ 381 [9]Lian Fengli , Moyne J, Tilbury D.Optimal Controller Design and Evaluation for a Class of Networked Control Systems with Distributed Constant Delays.Proceedings of the American Control Conference.2002.4:3009 ~ 3014 [10]朱其新、胡寿松 .网络控制系统的分析与建模 .信息与控制 .2OO3.1 [11] 樊卫华,蔡骅,吴晓蓓,胡维礼 . 具有延时和数据包丢失的网络控制系统的稳 定性 .南京理工大学学报 .2004.28( 5) : 465~ 468 [12]Rogelio L , Ray A.An Observe-Based Compensator for Distributed Delays.Automatica.1990.5 : 903~ 908 [13] 熊远生 , 俞立 , 徐建明 . 网络控制系统的滑模变结构预估控制器的设计 . 电气传 动自动化 .2003.4:39~ 40。 [14] 王 贞 , 郭西进 , 张彤晓 . 网络控制系统的滑模控制器设计 . 苏州科技学院学报 . 2005.1:70~ 73 [15]Ray A.Output Feedback Control under Randomly Varying Distributed Delays.Measurement and Control.1994.4:701 ~ 711 [16] 于之训,陈辉堂,王月娟 . 时延网络控制系统均方指数稳定的研究 . 控制与决 策 .2005.3: 278~ 281 [17]于之训,陈辉堂,王月娟 .基于 Markov 延迟特性的闭环网络控制系统研究 .控
46

Communication

and

Control

Systems:Part

I-Analysis.Journal of Dynamic Systems Measurement and Control.1988.367~

华北电力大学硕士学位论文

制理论与应用 .2002.2: 263~ 267 [18]Nilsson J.Real-Time Control Systems with Delay.Lund : Lund Institute of Technology.1998 [19]Zhen Wei, Li Changhong,Xie Jianying. Improved Control Scheme with Online Delay Evaluation for Network Control Systems.Proceedings of the 4 th World Congress on Intelligent Control and Automation. Shanghai.P.R.China,2002.2:1319 ~ 1323 [20]Zhang Wei , Michael S.Branicky , Stephen M.Phillips.Stability of Networked Control Systems.IEEE Control Systems Maganzine.2001.21:84 ~ 99 [21]Lee Kyung Chang , Lee Suk. Remote Controller Design of Networked Control System Using Genetic Algorithm. ISIE 2001 , Pusan, KOREA in IEEE.2001 : 1845~1850 [22]Lee Suk, Lee Sang Ho, Lee Kyung Chang. Remote Fuzzy Logic Control For Network Control System. The 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society.2001.1822 ~ 1827 [23]Almutairi Naif B. , Moyuen. PI Parameterization Using Adaptive Fuzzy Modulation ( AFM ) for Networked Control Systems-Part I : Partial Adaptation.IEEE Proceedings of IECON 2002.Sevilla , Spain, 2002.3152~ 3157 [24] 任长清,吴平东,王晓峰等 . 基于互联网的液压远程控制系统延时预测算法研 究 .北京理工大学学报 .2002.22( 1) : 85~ 89 [25]王晓峰,吴平东,任长清等 .基于 TCP/IP 网络的远程伺服控制系统中的动态模 糊控制器 .计算机应用 .2002.22( 11 ) : 83~ 85 [26]Kyung Chang Lee and Suk Lee.Remote Controller Design of Networked Control System using Genetic Algorithm.IEEE.2001 [27]李璋 ,方华京 .时变延迟网络化控制系统中新型控制器的设计 .计算机测量与控 制 .2005 [28]余主正 ,杨马英 . 基于预测控制算法的网络控制 .第五届全球智能控制与自动化 大会 .2004 年 6 月 15-19 日 .中国杭州 . [29] 李 璋 , 方 华 京 . 网 络 化 控 制 系 统 中 鲁 棒 控 制 器 的 设 计 与 优 化 . 计 算 机 应 用 .2005:927-931 [30]蔡启仲 .控制系统计算机辅助设计 .重庆:重庆大学出版社 .2003.90~ 95 [31]郑文波 .控制网络技术 .北京:清华大学出版社 .2001.3~ 4 [32]许立梓 .工业控制机及其网络控制系统 .北京:机械工业出版社 .2005. [33]阳宪惠 .工业数据通信与控制网络 .北京:清华大学出版社 .2003.46~ 47
47

华北电力大学硕士学位论文

[34]周祖德 .基于网络环境的智能控制 .北京:国防工业出版社 .2004 [35]齐峰 .网络控制系统中调度与控制的协同设计: [硕士学位论文 ].南京:南京理 工大学 .2005 [36]蒋珉主 .控制系统计算机仿真 .北京:电子工业出版社 .2006 [37]窦连旺 .网络控制系统的建模稳定性分析及其调度的研究: [博士学位论文 ].天 津:天津大学 .2003 [38] 樊 卫 华 . 网 络 控 制 系 统 的 建 模 与 控 制 : [ 博 士 学 位 论 文 ]. 南 京 : 南 京 理 工 大 学 .2004 [39] 孙兰香 . 网络控制系统的分析、建模与控制: [ 硕士学位论文 ]. 沈阳:东北大 学 .2006 [40]R.Luck , A.Ray.An observer-based compensator for distributed delays Autiomatic.1990.26 ( 5) : 903~ 908 [41]Astrom , Wittenmark. 周兆英等译 . 计算机控制系统——原理和设计 . 北京:电 子工业出版社 .2001 [42] Mei Yu, Long Wang, Tianguang Chu , Fei Hao. An LMI Approach to Networked Control Systems with Data Packet Dropout and Transmission Delays.the 43rd IEEE Conference on Decision and Control December 14-17 , 2004 : 3545~ 3550 [43]王玉峰 . 大延时网络化控制系统研究和基于 CORBA 的实现 :[博士学位论文 ].黑 龙江:哈尔滨工业大学 .2006 [44]韩峻峰,李玉惠 .模糊控制技术 .重庆:重庆大学出版社 .2003.29~ 37 [45]刘金琨 .先进 PID 控制 Matlab 仿真 .北京:电子工业出版社 .2004 [46]张国良,曾静,柯熙政,邓方林 .模糊控制及其 MATLAB 应用 .陕西:西安交通 大学出版社 .73~ 84 [47]赵虹,吴敏,刘国平 .一种获取网络化控制系统最大允许延迟时间的新方法 .信 息与控制 .2005.34( 5) : 539~ 542 [48]J.Eker , A.Cervin.A Matlab Toolbox for Real-Time and Control Systems Codesign.Proc. of 6th International Real-Time Computing Systems and Applications Conference.1999 [49]Martin Andersson , Dan Henriksson , Anton Cervin.Truetime1.5-Reference Manual: 37~ 49 [50]何坚强,张焕春 .基于 Truetime 工具箱的网络控制系统仿真研究 .微计算机信 息 .2004.20( 1) : 33~ 35

48

华北电力大学硕士学位论文





本学位论文是在导师马永光教授和仿真控制实验的各位老师的亲切关怀和悉 心指导下完成的。在这两年半的研究生生活即将结束之际,我由衷的感谢学校、控 制科学与工程学院、仿真控制实验室为我提供了良好的学习和科研环境,使我能够 专心的完成硕士期间的学业课程。 在论文完成之际,我衷心地感谢我的导师马永光教授。马老师治学严谨、博文 广识、务实求精,他对新知识孜孜以求的探索精神和对学术前沿动态敏锐的洞察力 给我深深的影响,也必将激励我在科学技术的道路上前进。在两年半的研究生学习 中,他不仅传授我知识、给予我指导和关心,更以其师长风范教育我如何做人、做 事。整个毕业设计期间,导师更是倾注了大量的精力,从论文选题、开展调研到设 计调试阶段一直给予指导和启发,使得设计任务能顺利完成,同时更进一步培养了 我独立开展科研工作的能力。桃李不言,下自成蹊,在此,谨向马老师表示我真诚 的感谢。 在论文期间我还得到了王兵树老师、林永君老师、马良玉老师、吕丽霞老师、 等的大力支持和帮助,并提出了许多宝贵的意见和建议,在此表示深深的感谢。同 时我要感谢控制科学与工程学院的全体老师,他们对我的关心和教诲令我难忘;感 谢全体实验室同学的帮助。 在此对所有支持、帮助和关心过我的老师和同学表示诚挚的谢意,感谢你们在 学业和生活等各方面给予我的极大帮助。

49

华北电力大学硕士学位论文

在学期间发表的学术论文和参加科研情况
[1] 刘健, 《网络化控制系统概述》 ,发表于“北京 2006 年北京地区研究生学术交 流会——信息与通信技术”会议,并被收入论文集; [2] 刘智国、 刘健, “ 基于双 Nios 核的 DCS 网络物理隔离器” , 获得 Altera 2007 Nios II 嵌入式处理器设计大赛(中国区)优秀奖。

50

华 北 电 力 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要

论 文 题 目:网络控制系统的时延补偿与控制器设计

研究生姓名:刘 健

专业:控制理论与控制工程

研 究 方 向:先进控制策略在过程控制中的应用 导 师 姓 名:马永光 职称:教授

2007 年 12 月 15 日

华北电力大学硕士学位论文摘要


1.选题背景及意义



随着控制、计算机、通信网络等技术的发展,迫切要求工业自动化水平也提高 到了一个崭新的高度。从历史上看,传统控制系统的通讯方式是点对点的,包括早 期的 DCS,目前这种方式已经越来越不能适应某些新的需求,比如模块化、集散分 布、综合诊断、快捷方便的维护及低成本化等。从整体上看,计算机控制系统己呈 现出向网络化、集成化、节点智能化、分布化的发展趋势。现场总线控制系统和工 业以太网,顺应了这一趋势,是完全网络化、分布化的控制系统。其控制功能相对 集中,适应现场控制的需要,表现出网络化的结构特性,是完全网络化、分布化的 控制系统。网络化 DCS、 FCS、工业以太网均为网络控制系统 (Networked Control System, NCS)。 工业控制网络不同于一般的计算机通信网络,它传递信息是以引起物质或能量 的运动为最终目的,分析的对象不再是孤立的控制过程,而是整个网络控制系统的 稳定性、调度管理和鲁棒性问题等。其通信网络特别强调实时性、可靠性、稳定性。 实时性向来是控制系统面临的重要问题,由于连接到通讯介质上的每个设备都是一 个信息源,而通讯介质是分时复用的,待发送信息只有等到网络空闲时才能被发送 出去,这就不可避免地导致了传输延迟的发生。而闭环控制系统是通过网络形成闭 环的,相应地就把延迟环节引入到这些系统。不但会降低系统的控制性能,而且还 是引起系统不稳定的一个潜在因素。因此,在研究 NCS 存在的许多新问题时,如: 网络诱导的时延、网络调度、数据包的多包传输及丢失等,主要还是集中在对 NCS 的时延补偿这个热点问题上。 目前,NCS 中控制理论的研究大大落后于网络控制系统实际应用。网络控制系 统的出现发展推广应用给控制理论提出了严峻的挑战,针对控制理论的研究首次表 现出滞后于控制系统应用的现状,网络控制理论的研究刻不容缓。

2.研究内容和阶段性成果
网络控制系统是将通信网络引入控制系统,实现了现场设备控制的分布化和网 络化,同时也加强了现场控制和上层管理之间的联系。但随之也带来了如网络诱导 的时延、网络调度、数据包的多包传输及丢失等诸多问题,本文在此背景下针对网 络诱导的时延进行了研究和分析。 主要围绕网络性能的研究、 网络引起时延的补偿、 网络控制系统的仿真和实验,进行了以下几方面的研究工作: ( 1)介绍了工业计算机控制系统的发展历程,引出了网络化控制系统的产生
1

华北电力大学硕士学位论文摘要

原因、概念和亟待解决的若干问题。深入分析了目前对网络控制系统研究、网络引 起的时延补偿,系统地阐述了国内外研究现状,对一些学者的著作进行了综述。 ( 2)具有网络诱导时延的 NCS 分析。 由于网络控制系统是在计算机网络基础上发展起来的控制系统,而计算机对信 号的采样技术将直接影响后面对网络控制系统时延的建模和补偿问题,因此,首先 介绍了三种不同的采样方式和驱动方式。研究了网络控制系统中,不同的驱动方式 对网络控制系统性能产生的影响。 控制网络不同于一般的计算机网络,由于它本身的结构特点与工业生产对其要 求的不同,决定了时延产生的机理不同。因此,还需研究控制网络的特点。从两者 的区别出发,分析了三种典型的控制网络,并从媒体访问控制方式的不同,分析了 其时延产生的原因和所产生的时延具有的特性。通过比较以太网、控制网和 CAN总 线可以看出,每一种控制网络媒体访问控制层 (MAC)采用的协议都对网络延时具有 很大的影响,使网络延时呈现出或确定 (CAN 总线和控制网 )或随机 (以太网 ),或有界 (CAN总线和控制网 )或无界 (以太网 )的特征。 ( 3)具有网络诱导时延的 NCS建模与控制。 通过研究了网络控制系统中的时延组成和特性,建立不同条件的数学模型,主 要研究了三种时延模型和现有的一些控制方法。固定时延可以通过现有的确定性方 法来补偿。随机独立时延(已知概率分布)主要利用动态规划和最有随机控制理论, 使设计出的控制器能够保证系统统计意义上的稳定性和性能指标。当时延是时变, 有界的情况下,可以利用 LMI来设计使系统稳定的控制器。目前, NCS控制器的设 计方法主要还是集中在传统控制方法上,为了能更多的考虑到 NCS中网络诱导时延 的不确定性因素,多采用智能控制。而智能控制与传统控制的主要区别在于传统的 控制方法必须依赖于被控对象的模型,而智能控制可以解决非模型化系统的控制问 题。 ( 4) Fuzzy-PID 网络控制器设计。 现有的时延网络控制系统的补偿手段主要采用传统的控制理论,且假定的理想 化条件较多,如假设单包传送、通讯无误等,因此应用于实际的控制网络时难以获 得理想控制效果。本文针对网络时延不确定性,将模糊逻辑补偿算法引入传统 PID 控制器的设计中,以消除闭环网络控制系统中由时延引起的控制性能下降、系统不 稳定等不利影响。在模糊 PID时延补偿算法中,无需更改传统 PID控制器的设计,以 模糊补偿器调制 PID控制器的输出,实现模糊逻辑条件参数与结论参数的整定,模 糊调制器充分利用了模糊控制理论规则少、应用简单灵活的特点,在保持系统稳定 性的同时,有效削弱了控制系统中由不确定性时延造成的脉动与振荡,在改善远程 网络控制系统的动、静态性能方面表现出了较传统 PID控制更强的功能特性。以实 时性要求较高的无刷直流电机为应用实例,仿真结果证明了该控制算法的正确性、
2

华北电力大学硕士学位论文摘要

有效性和可行性,该方法可使具有时延特性的远程网络控制系统保持良好的动、静 态特性与较强的抗干扰能力。 ( 5)基于 matlab/simulink 的 NCS 仿真环境研究 网络控制系统是涉及控制系统与通信网络的复杂系统,传统上对于具有时延的 分布式控制系统研究,往往采用 Matlab/Simlink ,利用延时模块进行简单的仿真, 功能相对较弱,而利用 Truetime 工具箱,可以对网络时延、网络参数对系统性能的 影响,控制方法,网络调度等多方面进行综合仿真研究,从而使得网络控制系统的 研究更加容易。本文结合 Truetime 工具箱的应用,对利用 Fuzzy-PID 对网络时延补 偿的控制设计进行了仿真,说明该设计方案的可行性。 ( 6)总结与展望 目前对 NCS 的研究多基于大量的假设条件, 而这些假设条件在实际的应用中往 往显得过于苛刻。本文从控制理论的角度应用智能控制研究 NCS 中的控制器设计, 虽然取得了一些成果,但仍有许多工作值得进一步的研究: ①目前对网络控制系统的研究主要从两方面展开:一是从通信技术着手,通过 研究如何设计恰当的网络协议,使得通过网络协议来调度网络中被传输的数据,并 且使这些数据能够满足各自的实时性要求;二是从传统控制理论角度出发,研究不 定时延系统的控制方法。如果将两方面结合起来,将是一种不错的尝试思路。 ②目前 NCS 中网络环节的建模方法还相对较少,并且缺乏普遍适用性,大多针 对单输入单输出回路的简单描述,如何对现场总线上的多个回路进行综合建模,产 生一个通用的多输入多输出系统的通信环节模型,是颇有研究意义的问题。 ③如何真正的把网络化控制系统的仿真平台搭建的更符合实际工况,更能体现 远程控制或单元机组中的控制,并应用于系统仿真机中,也是一个值得深入研究的 课题。

3

ABSTRACT OF GRADUATE THESIS OF NORTH CHINA ELECTRIC POWER UNIVERSITY

THESIS TOPIC:Time-Delay Compensation and Controller Design of Networked Control Systems AUTHOR: Liu Jian TUTOR:Prof. Ma Yongguang

SPECIALTY:Control Theory and Control Engineering DIRECTION:The Application of Advanced Control Strategy in Process Control

December 15, 2007

M.S.DISSERTATION OF N.C.E.P.U

ABSTRACT
1. Topic background and meaning
With control, computer, communications networks, and other technological development, there is an urgent need that industrial automation level also enhanced a brand-new altitude. Historically speaking, the traditional control system is the peer-to-peer means of communication, including the early DCS. The current approach has become increasingly unable to meet some new requirements, such as modularization, distributed distribution, comprehensive diagnosis, convenient maintenance and low-cost, and so on. Overall, computer control system has emerged to develop to the network, the integration, the intelligent nodes, and the distribution. Field bus control systems and industrial Ethernet complied with this tendency. It is entirely network and distribution of the control system. The control functions are relative concentration, and adapt to the needs of site control. It displays the network performance characteristics of the structure, and the control system is fully network, and distribution. Network DCS, FCS, and industrial Ethernet all is Networked Control System (NCS). Industrial control network is different from the general computer communication networks. Its transmit message causes material or the energy movement as the final goal. The analyzed object is no longer isolated process control, but there is stability, scheduling management and robustness of the entire network control system, and so on. Its communication network emphasizes real-time, the reliability, the stability specially. Real-time has always been an important issue to the control system, as the each device connected to the communications medium is an information source. Communications medium is time division multiplexing media, and information can be sent out only when network is idle. This inevitably led to the delay in the transmission. The closed-loop control system is a closed loop through the network, which puts the corresponding delay links into these systems. The system not only will reduce system's control performance, but also will cause a system unstable delay. Therefore, in the NCS, there are the many new issues, such as: network-induced delay, network scheduling, data packet transmission and the multi-packet loss, and so on, which still primarily focused on this hot issue of the time delay of the NCS. Currently, the control theory of the NCS is behind the study of practical application of network control system. The emergence, development, promotion and application of network control system have posed a severe challenge. Because the study of control theory is the first time to lag the performance. The network control theory need to be researched quickly.

2. Research and phases result
Network Control System is control system which communications network is introduced to make the equipment to the scene distribution and network. At the same time, they have also strengthened the link between the scene control and upper management. But then it also brings such as network-induced delay, network scheduling, data packet transmission and the multi-packet loss and many other issues. In this paper, against this background, we research and analysis the network-induced delay and focus on the performance of the network, time-delay compensation, networked control system
1

M.S.DISSERTATION OF N.C.E.P.U

simulation and experiment. There are the following aspects of work: (1)This paper introduces the development process of the industrial computer control system, and leads to the network control system causes, concepts and the need to resolve a number of issues, and analyzes the current control system and time-delay compensation, and systematically expounds on the status quo at home and abroad .And some scholars books were reviewed. (2) An analysis of a network-induced delay of NCS. As the network control system is developed on the basis of the computer network control system, and the sampling technique of computer signals will directly impact modeling and compensation of the network control system delay. First of all, the three different sampling ways and driving mode are introduced. And we research that the different driving ways impact the network control of system performance. Control network is different from a normal computer network, as its own characteristics and the structure of its industrial production need the different require, and decide that the delay production will has the different mechanisms. Thus more studies are needed about control network characteristics. From the difference, the paper analyses the three typical control networks. From the different of MAC, the paper analyses their causes and the characteristics of a delay. By comparison about Ethernet, control network and CAN bus, each of the control network MAC, using different agreements on layer is a great impact to the network delay, and makes the network delay to display determine (CAN Bus and control network) or random (Ethernet), or sector (CAN Bus and control network) or unbounded (Ethernet) features. (3) The modeling and control of a network-induced delay of NCS. By studying the components and characteristics of the delay of network control system, mathematical model is established under different conditions. There are the three main delay modeling and some of the existing control methods. Fixed delay can be compensated through the certainty existing methods. Independent random delay (known probability distribution) mainly use dynamic programming and optimum stochastic control theory to design a system to ensure that the controller on the statistical significance of the stability and performance indicators. At that time, when the extension is changed, bounded, LMI can be used to design the system. Currently, the NCS controller design method is mainly concentrated in the traditional control methods. In order to take into account more NCS network-induced delay in the uncertainties, we use the intelligent control. The main differences between intelligent control and traditional control is that the traditional control methods must be dependent on the object model, and the intelligent control can be solved the control problem of non-model system. (4) Fuzzy-PID network controller design. At present, the delay compensation means of the NCS are the traditional control theory. They have more idealistic assumptions, such as single packet transmission, unmistakably communications, and so on. Therefore it is difficult to access to ideal control results, which is used in practical control network. When network delay is uncertainty, fuzzy logic algorithm to traditional PID controller design is introduced. Adverse effects caused by network delay are eliminated, which include the declining performance of the control system and instability. In the fuzzy-PID compensation
2

M.S.DISSERTATION OF N.C.E.P.U

algorithm, it doesn't need to change the traditional PID controller design. Fuzzy compensator is used to modulate the output of PID controller, which realizes the condition parameter of the fuzzy logic and the conclusion parameter installation. The fuzzy modulator used the few fuzzy control theory, and its characteristic is simple nimble application. While system stable is maintained, the pulsation and agitation which creates by the uncertainty delay is effectively weakened. In the improvement long-distance network control system's tendency, the static property aspect displayed has compared traditional PID to control the stronger function characteristic. We take high not brushed the direct current machine for example. The simulation result has proven this control algorithm accuracy, validity and feasibility. This method may enable to maintain the good tendency, the static characteristic strong anti-interference ability of the delay characteristic of long-distance network control system of maintains (5) Based on matlab/simulink NCS simulation environmental research The network control system is a complicated system which involves the control system and communication network. In tradition, the delay research of distributional control system often uses Matlab/Simlink. If we carry on the simple simulation using the time delay module, the function is relatively weak. But using the Truetime toolbox may conduct the comprehensive simulation research variously to the network delay, the network parameter to the system performance influence, the control method, the network dispatch and so on, which makes the network control system's research to be easier. This article, the Truetime toolbox's application is unified, and using Fuzzy-PID to the network delay compensation control design is simulated. And we explain this design proposal the feasibility. (6) Summary and forecast At present, the NCS research based on massive supposition condition, but these supposition conditions often appears too harsh in the actual application. From control theory's angle application, this article uses intelligent control to study the controller design. Although it has made some progresses, there are still many work to be worth the further research: ① At present, the network control system's research are from two aspects: The first, from the start of ICT, we research how to design appropriate network protocol to dispatch the data which transmits in the network and these data satisfy the respective timely request. The second, from the traditional control theory point of view, the indefinite delay on the control method is approach. If two aspects are unified, there will be one kind of good attempt mentality. ② At present, there are a few network link's model method in NCS relatively, and the universal serviceability lacks. Mostly simple description aims at the SISO circuit. how to carry on the synthesis model to many return routes of field bus, and produce one general to input the multi-output system's correspondence link model are the research significance question. ③ How to built the network control system's simulation platform, and manifest the remote control or in unit plant's control, and be used in system simulation machine are also worth the deep research the topic.

3


相关文章:
网络控制系统时延解决方案的研究
本文针对解决网络时延设计的 网络预测控制分为控制端和被控对象端两个部分,...接收端 根据当时的网络状况选择一个合适的信号值,主动补偿网络传输带来的延时...
网络控制系统分析与综合-教学大纲
网络控制系统时延的补偿 4.7 基于摄动理论的网络控制系统调度策略分析 (五)网络控制系统的控制器设计:4 学时 5.1 基于随机控制的网络控制系统设计 5.2 基于模型...
基于网络控制系统平均时延的模糊控制器设计与稳定性分析
,根据实际网络时延的分布情况,提出了一种新的具有随 机时延网络控制系统的建模方法-离散 T-S 模型,并在此基础上应用并行分布补偿原理(PDC)设计模糊 控制器。 ...
具有随机时延的网络控制系统模糊控制器设计与稳定性分析
器采用事件驱动,提出了一种新的具有 摘要 随机时延网络控制系统的建模方法-离散模糊 T-S 模型,在此模型的基础上应用并行分布补偿(PDC)原理设计了模糊控制 器。...
网络控制系统的自适应控制研究
其次,针对网络控制系统的时延问题设计一种模型参考自适应控制方案。利用 Smith 估计器补偿网络时延,可以有效的降低因网络时延控制系统带来的影响,同 时简化了系统...
网络时延对PID控制性能影响的分析
孙优贤等为了有效地抑制网络延 时对网络控制系统性能的影响,提出了一种鲁棒数字 PID 控制器设计方法;Almutairi 等人 I_采用模糊逻辑给出了一种补偿网络延时的智能 ...
网络控制系统的稳定性
由于通信网络被应用到闭环控制中,使网络控制系统的分析与设计变得复杂。由于网络 ...随后,我们讨论了网络诱导时延的补偿方法,并通过 一个物理网络验证了补偿的效果。...
网络控制系统的建模与设计
下面分别介绍网络控制系统的基本问题有网络诱导时延、数 据包丢失、单包传输和多包传输、数据包乱序、网络调度等。 2.网络控制系统的控制器设计在设计过程中,我们...
网络控制系统若干问题的研究
网络控制系统若干问题的研究摘要 本文介绍了网络控制...基于模型的设计方 法、混杂系统方法、预测控制的方法...(controller prediction generator,CPG)和网络时延补偿...
网络控制系统开题报告_图文
时延和丢包成为了网络控制系统的分析与设计中是不可忽略的重要因素[2]。 Husein S等人研究了控制网络的典型结构,分析了各种拓扑结构的优缺点以及可靠性模 型,研究...
更多相关标签:
补偿控制器 | 功率因数补偿控制器 | 无功补偿控制器 | 无功功率补偿控制器 | 无功补偿控制器接线图 | 智能无功补偿控制器 | 低压无功补偿控制器 | 高压无功补偿控制器 |